JP3549523B2 - Acoustic matching layer, ultrasonic transducer and manufacturing method thereof - Google Patents

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    • G10K11/02Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators

Description

【技術分野】
【0001】
本発明は、音響インピーダンスを整合(マッチング)するために用いられる音響整合層、超音波の送受信を行う超音波送受波器、およびこれらの製造方法、ならびにこれらを用いた超音波流量計に関するものである。
【背景技術】
【0002】
図10は、従来の超音波発生器(「圧電振動子」ということもある。)10の構成を模式的に示す断面図である。超音波発生器10は、ケース1、圧電体層(振動手段)2と、音響インピーダンス整合層(整合手段、以下、「音響整合層」という。)である。ケース1と圧電体層2とは接着剤(例えばエポキシ系)からなる接着層を用いて接着されている。ケース1と音響整合層100とは、同様に接着剤を用いて接続されている。圧電体層は約500kHzで振動し、その振動は接着層(不図示)を介してケース1に伝わり、さらに接着層を介して音響整合層100に伝わる。音響整合層100の振動は空間に存在する気体に音波として伝搬する。なお、簡単のために説明を省略するが、圧電体層2を厚さ方向に分極させるための一対の電極(不図示)が圧電体層2の両面に設けられており、超音波発生器10は、圧電体層2によって、電気エネルギーと機械エネルギーとを相互に変換することができる。ケース1は、圧電体層2を内包する凹部を形成する上板1aと、凹部内の空間を密閉するように配置される底板1bとを有し、圧電体層2は凹部内に密閉されている。圧電体層2の一対の主面に形成されている電極の一方は、ケース1を介して端子5aに接続され、他方は端子5bに接続されている。従って、ケース1は、一般に導電性を有する金属から形成される。
【0003】
音響整合層100の役割は圧電体層2の振動を効率良く気体に伝搬させることにある。物質の音速Cと密度ρとで(1)式のように定義される音響インピーダンスZが圧電体層2と気体とで大きく異なる。
【0004】
Z=ρ×C・・・(1)
【0005】
圧電体層2を構成する圧電体の音響インピーダンスZ1は30×106(kg/s・m2)で気体、例えば空気の音響インピーダンスZ3は4.28×102(kg/s・m2)である。圧電体と金属の音響インピーダンスはほぼ等しい。このように音響インピーダンスの異なる境界面上では音(振動)の伝搬に反射が生じるようになり、その結果、透過する音の強さが弱くなる。ところが、2つの異なる音響インピーダンスの物質の間に別の音響インピーダンスを持つ物質を挿入することによって、音の反射を軽減することができる。
【0006】
圧電体層2と空間(音波が放出される側の気体媒体)との間に下記(2)式の関係を満たす音響インピーダンスZ2を持つ物質を挿入することにより音の反射をなくせることが一般に知られている。
【0007】
Z2=(Z1・Z3)1/2・・・(2)
【0008】
上述のZ1=30×106(kg/s・m2)およびZ3=4.28×102(kg/s・m2)を用いると、このZ2の値は0.11×106(kg/s・m2)となる。この音響インピーダンスを満たす物質は、固体で密度が小さく音速の遅いものであることが要求される。
【0009】
PZT等の圧電体を用いた気体用超音波発生器においても、一般に、PZTで発生した超音波を伝搬媒体である気体(空気)に効率良く放射するため、その振動面に空気との音響インピーダンスを整合するための整合層が設けられる。PZTで発生した超音波を空気中に放射する超音波トランスデューサでは、空気(気体)の音響インピーダンスZ1(約400kg/s・m2)がPZT(固体)の音響インピーダンスZ3(約30×105kg/s・m2)に対して略10万分の1と桁違いに小さいため、超音波を効率良く放射するためには、音響整合層の音響インピーダンスが極めて重要になる。
【0010】
従来、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等の圧電セラミックスから構成された圧電体層(「超音波振動子」ということもある。)の振動面に設けられる音響整合層として、図11に示すように、ガラスバルーン(中空の微小なガラス球)110が混入されたエポキシ樹脂112からなる音響整合層100が知られている。音響整合層100は微小なガラスバルーン110をエポキシ樹脂112で固めたものを用いて密度を小さくしている。ガラスバルーン110は音響整合層を伝わる音の波長よりも十分小さくする必要があるので、直径が100μm以下のものを用いている。
【0011】
音響整合層100を透過して気体に伝達する音の強さは音響整合層100の厚さ(音響整合層中を音波が伝播する距離)にも関係する。圧電体層2からの音の波は透過する波と、音響整合層100と気体との境界面で反射する波とに分かれる。反射した波は音響整合層100と圧電体層2との境界面で反射し、この場合、位相が反転した波となる。この波の一部が音響整合層100と気体との境界面で透過する波となる。これらの波が合成されることによって、透過率Tが最大となる厚さtを求めると、t=λ/4となる。
【0012】
ガラスバルーン110を含む音響整合層100を用いた場合、その音速は2000m/sなので、音の周波数が500kHzの場合は、音響整合層100中を伝播する音の波長λは4mmとなる。従って音響整合層100の厚さtは1mmが最適値となる。
【0013】
超音波振動子の振動面に音響整合層を設けた場合の超音波振動子から外部伝搬媒体への超音波エネルギー透過率Tを求める理論式は、音響整合層の厚さtをλ/4の整数倍に設定すると下記(3)式のように簡素化されて表される。
【0014】
T=4・Z1・Z3・Z22/(Z1・Z3+Z222・・・(3)
【0015】
従来のガラスバルーン入りエポキシ樹脂を用いた音響整合層100において、空気に対する超音波エネルギー透過率Tと音響整合層100の音響インピーダンスZ2との関係を検討すると、ガラスバルーン入りエポキシ樹脂の音響インピーダンスはおよそ1.2×106kg/s・m2で、Z22≒1.44×1012となるのに対し、上述の例ではZ1・Z3はZ1・Z3=400×1.2×106=4.8×108で、Z1・Z3≪Z22となるので上記(3)式は、更にT≒4・Z1・Z3/Z22に近似され、超音波エネルギー透過率Tは音響整合層100の音響インピーダンスZ2の2乗に反比例することがわかる。すなわち、音響整合層100の音響インピーダンスZ2は小さい程、超音波エネルギー透過率Tは向上する。
【0016】
また、図9は上述した超音波発生器10を備える超音波流量計の構成を模式的に示す図である。ここでは、一対の超音波発生器10を一対の超音波送受波器101および102として用いている。
【0017】
一対の超音波発生器101および102は、図9に示すように、気体の流路51を規定する管(管壁)52の内部に配置される。超音波送受波器101または102が割れると気体が管52の外部に漏れるので、超音波送受波器101および102のケース(図9のケース1)の材料にはセラミックや樹脂などの割れやすい材質を選択することが困難である。従って、ケースの材料にはステンレス、鉄などの金属材料が用いられる。
【0018】
今、図9に示すように、流路51に流体が速度Vにて、流路に沿って太線矢印で示す方向に流れているとする。管壁52の内側には、一対の超音波送受波器101および102が互いに相対して設置されている。超音波送受波器101および102は、電気エネルギー/機械エネルギー変換素子として、圧電セラミック等の圧電振動子を用いて構成されていて、圧電ブザー、圧電発振子と同様に共振特性を示す。ここでは、例えば、超音波送受波器101を超音波送波器として用い、超音波送受波器102を超音波受波器として用いる。また、超音波送波器101と超音波受波器102には、これらの送受信を切り替える切替回路55を介して、超音波送受波器101,102を駆動する駆動回路54と、超音波パルスを検知する受信検知回路56、超音波パルスの伝搬時間を計測するタイマ57、タイマ57の出力より流量を演算によって求める演算部58、駆動回路54とタイマ57に制御信号を出力する制御部59が接続されている。
【0019】
超音波流量計の動作を以下に説明する。
【0020】
まず、共振周波数近傍の周波数の交流電圧を超音波送波器101の圧電体層に印加すると、超音波送波器101は外部の流体中に同図中のLで示す伝搬経路に超音波を放射し、超音波受波器102が伝搬してきた超音波を受けて電圧に変換する。
【0021】
続いて、反対に超音波送受波器102を超音波送波器として用い、超音波送受波器101を超音波受波器として用いる。共振周波数近傍の周波数の交流電圧を超音波送波器102の圧電体層に印加することにより、超音波送波器102は外部の流体中に同図中のLで示す伝搬経路に超音波を放射し、超音波受波器101は伝搬してきた超音波を受けて電圧に変換する。このように、超音波送波器101および102は、受波器としての役目と送波器としての役目を果たすので、一般に超音波送受波器と呼ばれる。伝播経路L内の超音波の伝播方向は、伝播経路L内に示した矢印(双方向)である。
【0022】
図9において、管52の中を流れる流体の流速をV、流体中の超音波の速度をC、流体の流れる方向(太線矢印)と超音波パルスの伝搬方向(L内の矢印)の角度をθとする。超音波送受波器101を送波器、超音波送受波器102を受波器として用いたときに、超音波送受波器101から出た超音波パルスが超音波送受波器102に到達する時間であるシング・アラウンド周期をt1、シング・アラウンド周波数f1とすれば、次式(4)が成立する。
【0023】
f1=1/t1=(C+Vcosθ)/L・・・(4)
【0024】
逆に、超音波送受波器102を送波器として、超音波送受波器101を受波器として用いたときのシング・アラウンド周期をt2、シング・アラウンド周波数f2とすれば、次式(5)の関係が成立する。
【0025】
f2=1/t2=(C−Vcosθ)/L ・・・(5)
【0026】
従って、両シング・アラウンド周波数の周波数差Δfは、次式(6)となり、超音波の伝搬経路の距離Lと周波数差Δfから流体の流速Vを求めることができる。
【0027】
Δf=f1−f2=2Vcosθ/L ・・・(6)
【0028】
すなわち、超音波の伝搬経路の距離Lと周波数差Δfから流体の流速Vを求めることができ、その流速Vから流量を調べることができる。
【0029】
従来の超音波発生器においては、音響整合層の音響インピーダンスを低く抑えるために、密度が小さな材料、例えばガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂材料などで固めた材料を用いて音響整合層を形成していた。また、ガラスバルーンを熱圧縮する方法、あるいは、溶融材料を発泡させる等の方法によって音響整合層を形成していた。これらの方法は、例えば特許第2559144号公報等に開示されている。
【0030】
従来の音響整合層は、エポキシ樹脂に超音波の波長に比べて粒径の小さいガラスバルーンを混入することにより(すなわち、エポキシ樹脂内に超音波を乱反射させないような音響インピーダンスの小さい空気の隙間を散在させることにより)音響整合層の音響インピーダンスZ2を低下させるものであるから、エポキシ樹脂に対するガラスバルーンの混合比率を高めて音響インピーダンスの一層の低下を図ることも考えられるが、ガラスバルーンの混合比率を高くすると、ガラスバルーン入りのエポキシ樹脂剤の粘度が高くなり、ガラスバルーンとエポキシ樹脂剤とを均―に混合することが困難となるので、エポキシ樹脂剤に対するガラスバルーンの混合比率を高めるには一定の限界がある。従って、ガラスバルーン入リエポキシ樹脂でより一層、音響インピーダンスの低い音響整合層を製造することは困難である。
【0031】
また、上記従来のガラスバルーン入リエポキシ樹脂からなる音響整合層の音響インピーダンスはおよそ1.2×106kg/s・m2であり、エポキシ樹脂のみからなる音響整合層の音響インピーダンスに対して略2/3であり、エポキシ樹脂のみからなる音響整合層を用いたものに比べると、超音波エネルギー透過率Tは9/4倍に改善される。
【0032】
しかし、それでも上記(3)式よリガラスバルーン入リエポキシ樹脂からなる音響整合層を用いた場合の超音波エネルギー透過率Tを算出すると、T≒3%であるから、十分でないことが分かる。
【0033】
また、超音波流量計に使用している従来の超音波送受波器に使用している音響整合層は、上述したようにガラスバルーンを熱圧縮したり、溶融材料を発泡する等の方法が採られていた。このため、圧力によるガラス球の破損、圧力不足による分離、剥離溶融材料の発泡等の原因によって媒質が不均質になり易く、音響整合層内で特性にバラツキが生じ、これが機器精度のバラツキを発生させているという問題があった。
【0034】
さらに、上記従来のガラスバルーン入リエポキシ樹脂からなる音響整合層の製造工程においては、ガラスバルーン入りエポキシ樹脂の硬化物を所望の大きさおよび/または厚さにするために、切断および/または表面研磨などの機械加工を施していたため、音響整合層の厚さが好ましい値からずれたり、または厚さが不均一となったり、あるいは表面に凹凸が形成されるという問題があり、超音波送受波器としての十分な性能を得ることができなかった。
【0035】
一方、本出願人は、特願2001−56501号(出願日:2001年2月28日)に、乾燥ゲルを用いて音響整合層を形成することによって、従来のガラスバルーン入リエポキシ樹脂を用いる場合よりも、例えば音響整合層内の特性のばらつきを低減できることを記載している。
【0036】
しかしながら、例えば、超音波流量計などのさらな高性能化のために、乾燥ゲルを用いた音響整合層の特性のばらつきをさらに低減することが望まれている。
【0037】
本発明者が検討した結果によると、音響整合層の厚さのばらつきは、従来よりも小さいものの、乾燥ゲルを用いた場合にも発生する。また、湿潤ゲルを乾燥させることによって乾燥ゲルを形成すると、乾燥過程の不均一さに起因する特性のばらつきがあることがわかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0038】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、従来よりも特性のばらつきが低減された音響整合層を提供すること、およびそのような音響整合層を備える超音波送受波器ならびに超音波流量計を提供することにある。また、そのような音響整合層および超音波送受波器の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0039】
本発明の第1の局面による音響整合層は乾燥ゲルの粉末を含む。
【0040】
ある実施形態において、前記乾燥ゲルの密度が500kg/m3以下であり、平均細孔直径が100nm以下である。
【0041】
ある実施形態において、前記乾燥ゲルの粉末の平均粒径が1μm以上100μm以下の範囲内にある。
【0042】
ある実施形態において、前記乾燥ゲルの固体骨格部が、無機酸化物を含む。前記固体骨格部は疎水化されていることが好ましい。
【0043】
ある実施形態において、前記無機酸化物は、酸化ケイ素または酸化アルミニウムである。
【0044】
ある実施形態において、熱結着性高分子の粉末を全体の40質量%以下含む。
【0045】
ある実施形態において、前記熱結着性高分子の粉末は、平均粒径が0.1μm以上50μm以下の範囲内にある。
【0046】
ある実施形態において、音響インピーダンスが5×104kg/s・m2以上20×104kg/s・m2以下の範囲内にある。
【0047】
ある実施形態において、25℃以上70℃以下の範囲内における音響インピーダンスの温度変化率が、−0.04%/℃以下(絶対値が0.04%/℃以下)である。
【0048】
ある実施形態において、前記音響整合層中を伝播する音波の波長λの約4分の1の厚さを有する。
【0049】
本発明の第1の局面による超音波送受波器は、圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた上記のいずれかの音響整合層とを備える。
【0050】
ある実施形態において、前記音響整合層が前記圧電体層上に直接結合されている。
【0051】
ある実施形態において、前記圧電体層を内包する凹部を形成する上板と、前記凹部内の空間を密閉するように配置される底板とを有するケースをさらに有し、前記圧電体層は前記ケースの前記上板の内面に接着されており、前記音響整合層は、前記上板を介して前記圧電体層に対向するように前記上板の上面に直接結合されている。
【0052】
本発明の第1の局面による超音波流量計は、被測定流体が流れる流量測定部と、前記流量測定部に設けられ超音波信号を送受信する一対の超音波送受波器と、前記超音波送受波器間の超音波伝搬時間を計測する計測回路と、前記計測回路からの信号に基づいて流量を算出する流量演算回路とを備える超音波流量計であって、前記一対の超音波送受波器のそれぞれは、上記のいずれかに記載の超音波送受波器で構成されている。
【0053】
本発明の第1の局面による音響整合層の製造方法は、乾燥ゲルの粉末と熱結着性高分子の粉末との混合粉末を用意する工程と、前記混合粉末を加圧成形する工程とを包含する。
【0054】
ある実施形態において、前記混合粉末を用意する工程は、前記乾燥ゲルを用意する工程と、前記熱結着性高分子の粉末を用意する工程と、前記乾燥ゲルと前記熱結着性高分子の粉末とを混合しながら粉砕する工程とを包含する。
【0055】
ある実施形態において、前記混合粉末を加圧成形する工程は、前記混合粉末を加熱する工程を包含する。
【0056】
ある実施形態において、前記混合粉末を加圧成形する工程は、加圧成形によって得られる前記混合粉末の成形体の厚さを所定の厚さに制御する工程を包含する。
【0057】
ある実施形態において、前記混合粉末を加圧成形する工程は、下側成形面上に所定量の前記混合粉末を供給する工程と、前記下側成形面上に供給された前記混合粉末が形成する層の上面を平坦化する工程とを包含する。
【0058】
本発明の第1の局面による超音波送受波器の製造方法は、圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた音響整合層とを備えた超音波送受波器の製造方法であって、前記音響整合層を上記のいずれかの製造方法によって形成する工程を包含する。
【0059】
ある実施形態において、前記音響整合層は前記圧電体層上に直接接合される。
【0060】
ある実施形態において、前記超音波送受波は、前記圧電体層を内包する凹部を形成する上板と、前記凹部内の空間を密閉するように配置される底板とを有するケースをさらに有し、前記音響整合層は前記ケースの前記上板の上面に直接接合される。
【0061】
本発明の第2の局面による超音波送受波器の製造方法は、圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた音響整合層とを備えた超音波送受波器の製造方法であって、前記音響整合層を形成するプロセスが、(a)ゲル原料液を調製する工程と、(b)前記音響整合層が形成される面上に、所定の高さを有する厚さ規制部材を設ける工程と、(c)前記面上に前記ゲル原料液を付与する工程と、(d)前記面上に付与された前記ゲル原料液が形成する液層の厚さを前記厚さ規制部材の高さに略一致させる工程と、(e)前記ゲル原料液から湿潤ゲルを形成する固体化工程と、(f)前記湿潤ゲルに含まれる溶媒を除去することによって乾燥ゲルを形成する乾燥工程とを包含する。第2の局面の超音波送受波器の製造方法によると、音響整合層の厚さが所定の厚さに制御されるので、厚さのばらつきに起因する特性のばらつきが抑制される。
【0062】
ある実施形態において、前記音響整合層は、前記圧電体層側に配置された第1音響整合層と、前記第1音響整合層上に設けられた第2音響整合層を有し、前記第2音響整合層を形成するプロセスが、前記工程(a)〜(f)を包含する。
【0063】
ある実施形態において、前記厚さ規制部の高さは、対応する音響整合層中を伝播する音波の波長λの約4分の1である。
【0064】
本発明による音響整合層に用いられる乾燥ゲルは、無機酸化物を固体骨格部とする乾燥ゲルであっても良いし、有機高分子を固体骨格部とする乾燥ゲルであっても良い。
【発明の効果】
【0065】
本発明の第1の局面による音響整合層は、乾燥ゲルの粉末を含むので、湿潤ゲルの乾燥過程の不均一さに起因する特性のばらつきが抑制される。
【0066】
本発明の第2の局面によると、音響整合層の製造プロセスにおいて、音響整合層の厚さが制御される。従って、音響整合層の厚さのばらつきや表面の凹凸に起因する特性のばらつきが抑制される。
【0067】
さらに、無機酸化物または有機高分子の乾燥ゲルの形成時に、圧電体表面または容器(ケース)表面のOH基と原料の成分が反応して化学的に結合されて貼り付けられるので、接着層の無い、いわゆる接着層レスの超音波送受波器が得られるという優れた効果も得られる。
【0068】
また、従来の音響整合層の上層に、この厚さ精度の高い、無機酸化物または有機高分子の乾燥ゲルからなる音響整合層を形成することによって、さらに高感度な超音波送受波器が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0069】
本発明の第1の局面による音響整合層は、乾燥ゲルの粉末を含む。音響整合層を乾燥ゲルの粉末を用いて形成することによって、湿潤ゲルの乾燥過程の不均一さに起因する特性のばらつきが抑制される。
【0070】
図1(a)および(b)に、本発明の第1の局面による実施形態の音響製造層の構造を模式的に示す。
【0071】
図1(a)に示す音響整合層3Aは、乾燥ゲルの粉末(以下、「粉末乾燥ゲル」ということもある。)3aと、添加剤3bとで構成されている。
【0072】
本明細書における「乾燥ゲル」とは、ゾルゲル反応によって形成される多孔体であり、ゲル原料液の反応によって固体化した固体骨格部が溶媒を含んで構成された湿潤ゲルを経て、乾燥して溶媒除去することで形成されるものである。
【0073】
乾燥ゲルを得るために、湿潤ゲルから溶媒除去して乾燥する方法としては、超臨界乾燥、凍結乾燥などの特別な条件の乾燥方法や、加熱乾燥、減圧乾燥、自然放置乾燥などの通常の乾燥方法を用いることができる。
【0074】
超臨界乾燥は、溶媒をその臨界点以上の温度、圧力条件にした超臨界状態で除去する方法であり、気液界面がなくゲルの固体骨格部に乾燥ストレスを与えることがないため収縮したりすること無く、非常に低密度の乾燥ゲルを得ることができる。その反面、超臨界乾燥で得た乾燥ゲルは、使用環境におけるストレス、例えば結露や熱ストレス、薬品ストレス、機械ストレス等の影響を受けることもある。
【0075】
それに対して、通常の乾燥方法によって得られる乾燥ゲルは、乾燥ストレスに耐え得るために、その後の使用環境におけるストレスに対しても耐久性が高いという特徴がある。このような通常の乾燥方法で低密度の乾燥ゲルを得るためには、乾燥する前に湿潤ゲルの段階で、固体骨格部がストレスに耐え得るようにしておく必要がある。例えば、固体骨格部を熟成して強度を増したり、疎水化する際に固体骨格部を補強するように温度条件や重合しやすい多官能の疎水化剤を適用したり、細孔の大きさを制御したりすることで実現することができる。特に、気体の流量を計測する際には、いろいろな環境で使用されることがあるために、通常の乾燥方法で作製した乾燥ゲルで音響整合層を得るのが好ましい。また、通常の乾燥方法を適用する場合には、超臨界乾燥のような高圧のプロセスではないために、設備が簡易になり、取扱いも行いやすいなどの利点もある。
【0076】
上述の方法で得られる乾燥ゲルは、ナノメートルサイズの固体骨格部によって平均細孔直径が1nmから100nmの範囲内にある連続気孔が形成されているナノ多孔体ある。そのため、密度が500kg/m3以下、好ましくは400kg/m3以下の低密度な状態では、乾燥ゲルの有する特異な網目状骨格を形成している固体部分を伝搬する音速が極端に小さくなるとともに、細孔によって多孔体内の気体部分を伝搬する音速も極端に小さくなるという性質を有する。そのため、音速として500m/s以下の非常に遅い値を示し、低い音響インピーダンスを得ることができるという特徴を有する。
【0077】
また、ナノメートルサイズの細孔部では、細孔サイズが気体分子の平均自由行程と同程度以下となっており、気体の圧損が大きいために音響整合層として用いた場合に、音波を高い音圧で放射できるという特徴も有する。
【0078】
粉末乾燥ゲルの平均粒径は1μm以上100μm以下であることが好ましい。この下限値よりも小さいと粉末中の細孔数が減少して乾燥ゲルの特徴的効果が低減されるとともに、成形する際の添加剤の必要量が増加するため低密度の音響整合層を得ることが難しくなることがある。粉末乾燥ゲルの平均粒径が上限値よりも大きいと、音響整合層の厚さ制御が難しくなり、厚さの均一性および表面の平坦性が十分な音響整合層を形成することが難しくなることがある。
【0079】
乾燥ゲルの固体骨格部は、無機酸化物または有機高分子であってもよい。また、固体骨格部が疎水化されていることが好ましい。疎水化することによって、例えば、計測対象の気体中に水分や不純物が存在した場合に、それらの吸着や付着の影響を受けにくくできるので、より信頼性の高い音響整合層を得ることができる。
【0080】
無機酸化物の乾燥ゲルの固体骨格部の疎水化は、例えばシランカップリング剤などの表面処理剤を用いて行う。表面処理剤としては、トリメチルクロルシラン、ジメチルジクロルシラン、メチルトリクロルシラン、エチルトリクロルシランなどのハロゲン系シラン処理剤、トリメチルメトキシシラン、トリメチルエトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、メチルトリエトキシシランなどのアルコキシ系シラン処理剤、ヘキサメチルジシロキサン、ジメチルシロキサンオリゴマーなどのシリコーン系シラン処理剤、ヘキサメチルジシラザンなどのアミン系シラン処理剤、プロピルアルコール、ブチルアルコール、ヘキシルアルコール、オクタノール、デカノールなどのアルコール系処理剤などを用いることができる。
【0081】
また、これらの処理剤の有するアルキル基の水素が一部または全てがフッ素に置換したフッ素化処理剤を用いれば、疎水化(撥水性)に加えて、撥油性、防汚性などのさらに優れた効果が得られるものである。
【0082】
なお、無機酸化物の乾燥ゲルの固体骨格部は、少なくとも酸化ケイ素(シリカ)または酸化アルミニウム(アルミナ)を成分とするものを好適に用いることができる。また、有機高分子の乾燥ゲルの固体骨格部は、一般的な熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂により構成することができる。例えば、ポリウレタン、ポリウレア、フェノール硬化樹脂、ポリアクリルアミド、ポリメタクリル酸メチルなどを適用することもできる。
【0083】
特に、無機酸化物の固体骨格部を有する乾燥ゲルは、耐湿信頼性や、耐化学薬品性に優れると共に、音響インピーダンスの温度特性に優れる。すなわち、無機酸化物の乾燥ゲルを用いると、25℃以上70℃以下の範囲内における音響インピーダンスの温度変化率が、−0.04%/℃以下(絶対値が0.04%/℃以下という意味)の音響整合層を得ることができる。これに対し、従来のエポキシ/ガラスバルーン系や、有機高分子ゲルを用いると、上記音響インピーダンスの温度変化率の絶対値を0.04%/℃以下とすることは難しい。
【0084】
音響インピーダンスの温度変化率が小さいと、例えば後述する超音波流量計に用いた場合、広い温度範囲に亘って高い測定精度を得ることができる。
【0085】
粉末乾燥ゲル3aを互いに結合し、音響整合層3Aの機械的な強度を向上するための添加剤(バインダ)3bとしては、熱結着性を有する高分子粉末を好適に用いることができる。液状の材料を用いると、乾燥ゲルの細孔内部に浸透し、音響特性を変えてしまったり、成形性を低させることがあるので、固形材料、特に粉末を用いることが好ましい。
【0086】
ここで、「熱結着性高分子」とは、室温において固形で、加熱によって溶融または軟化し、その後固化する高分子を指す。熱結着性高分子は、一般的な熱可塑性樹脂(例えば、ポリエチレンやポリプロピレンなどのエンジニアリングプラスチック)だけでなく、例えば室温においては固形で加熱によって一旦軟化し、その後、架橋硬化する熱硬化性樹脂(例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂)を用いることができる。また、熱硬化性樹脂が主剤と硬化剤とを含む場合、それぞれを別粉末として添加しても良い。もちろん、熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂とを混合して用いても良い。熱結着性高分子粉末の溶融(軟化)温度は80℃以上250℃以下の範囲にあることが好ましい。
【0087】
添加剤として熱結着性高分子を用いると、典型的には、後述するように、粉末乾燥ゲル3aと添加剤との混合粉末を加熱しながら加圧成形する際に、溶融(軟化)した添加剤が、冷却に伴って固化することにより、および/または、架橋硬化することにより、粉末乾燥ゲル3a同を接合する役割を果たす。
【0088】
熱結着性高分子粉末の平均粒径は0.1μm以上50μm以下であることが好ましい。この下限値よりも小さいと粉末乾燥ゲルの細孔径に近くなるため、結着性が低下したり、成形性が低下することがある。また上限値よりも大きいと、成形に必要な添加量が増加するため、低密度の音響整合層を得ることが難しくなることがある。
【0089】
また、熱結着性高分子粉末の添加量は全体の40質量%以下であることが好ましい。全体の40質量%を超えると、成形した際の密度が高くなってしまうことがある。また、十分な機械強度を得るためには、例えば、全体の5質量%以上添加することが好ましい。
【0090】
上記の添加剤(「添加剤A」ということがある。)と粉末乾燥ゲルとの接合を強化するために、図1(b)に模式的に示した音響整合層3Bのように、繊維(無機繊維(例えはグラスウール)や有機繊維)やウィスカなどをさらに添加しても良い(「添加剤B」ということがある。)。図1(b)の音響整合層3Bにおいて、添加剤3bは上記と同じ熱結着性高分子の粉末であり、添加剤3cは短繊維である。短繊維の好適な直径の範囲は上記の熱結着性高分子粉末の平均粒径と同程度であり、繊維の長さは数μm〜数mm程度であることが好ましい。
【0091】
2種類の添加剤の添加量は、全体に対して、40質量%以下であることが好ましく、配合比率は、必要に応じて適宜設定される。
【0092】
本発明の粉末乾燥ゲルを用いた音響整合層は、音響インピーダンスを調整しやすいという利点をさらに有している。例えば、互いに異なる密度を有する複数の種類の粉末乾燥ゲルを混合することによって、音響インピーダンスを調整することができる。さらに、上記の添加剤A(必要に応じて添加剤B)の量を調節することによって、音響インピーダンスを調整することができる。勿論、添加剤AおよびBの添加量は、成形性などを考慮して上記の範囲内とすることが好ましい。
【0093】
なお、音響整合層3Aおよび3Bの厚さは、それぞれの音響整合層中を伝播する音波の波長λの約4分の1の厚さとすることが好ましい。
【0094】
本発明の第2の局面による実施形態の超音波送受波器の製造方法は、圧電体層と、圧電体層上に設けられた音響整合層とを備えた超音波送受波器の製造方法であって、音響整合層を形成するプロセスが、(a)ゲル原料液を調製する工程と、(b)音響整合層が形成される面上に、所定の高さを有する厚さ規制部材を設ける工程と、(c)面上に前記ゲル原料液を付与する工程と、(d)面上に付与されたゲル原料液が形成する液層の厚さを厚さ規制部材の高さに略一致させる工程と、(e)ゲル原料液から湿潤ゲルを形成する固体化工程と、(f)湿潤ゲルに含まれる溶媒を除去することによって乾燥ゲルを形成する乾燥工程とを包含する。従って、音響整合層の厚さが所定の厚さに制御されるので、厚さのばらつきに起因する特性のばらつきが抑制される。
【0095】
勿論、音響整合層を上記の粉末乾燥ゲルを用いて形成することによって、更に特性のばらつきが抑制されることは言うまでもない。また、粉末乾燥ゲルを用いると、予め粉末乾燥ゲルを作製しておくことができるので、超音波送受波器の生産性を向上することができるという利点も得られる。すなわち、上述した超音波送受波器の製造プロセスにおいて、ゲル原料液を固体化して湿潤ゲルを得る工程およびこれを乾燥する工程を予め実行しておくことができるので、超音波送受波器の製造のスループットを向上できる。
【0096】
以下、本発明のより具体的な実施形態を説明する。なお、音響整合層およびその接合構造を除く、超音波送受波器の基本的な構成は図10に示した従来の超音波送受波器10と同じであるので、重複する説明は省略する。
【0097】
次に、図2から図7を用いて、図8に示した音響整合層100を製造し、それを圧電体層2あるいはケース1に貼り付け超音波送受波器を製造する方法の実施の形態について説明する。
【0098】
(第1の実施の形態)
図2は本発明の第1の実施の形態の音響整合層を備えた超音波送受波器の製造方法を説明する工程図である。この図を工程1〜工程4の順に説明する。
【0099】
・工程1:多孔体からなる低密度の粉末乾燥ゲル(密度約200kg/m3〜400kg/m3)と10質量%程度(全体に対して)の添加剤Aと添加剤Bとを用意する。ここで用意する乾燥ゲルは粉末である必要は必ずしもない。ブロック状でもよい。乾燥ゲルは例えば平均細孔径が20nmのシリカ乾燥ゲルであり、添加剤Aはポリプロピレン粉末であり、添加剤Bは繊維径が10μm程度のグラスウールである。
【0100】
・工程2:これらを同一容器内に入れ、混合粉砕し、微細な紛末を作製する。典型的にはミルを用いて実行される。ここで、上述した所望の平均粒径の粉末乾燥ゲルが得られるように、粉砕条件を調整する。また、必要に応じて分級してもよい。もちろん、乾燥ゲルの粉砕工程と、混合工程とを別に行っても良い。
【0101】
・工程3:低密度の粉末乾燥ゲルと添加剤Aと添加剤Bとからなる混合粉末を所望の量秤量し、圧電体層2が接着されたケース1の上に供給する。
【0102】
・工程4:この上から混合粉末3の成形体の厚さを制御し、約λ/4の厚さになるようにするために厚さ規制部材(制御部)4を設置し、加熱加圧成型する。そうすると、添加剤Aが一旦溶融し、その後冷却固化することによって、低密度の粉末乾燥ゲルが固定化される。また、添加剤Bは、添加剤Aが粉末乾燥ゲル同の結合強度をさらに高めるに作用し、硬い音響整合層を得ることができる。
【0103】
また、このようにすることによって、粉末乾燥ゲルと添加剤Aと添加剤Bとからなる音響整合層3は、接着剤を使用せずにケース1に接着することができる。
【0104】
もちろん、上述したように粉末乾燥ゲルを用いて音響整合層を形成する過程で、音響整合層の厚さを制御することが好ましいが、粉末乾燥ゲルを用いるだけでも、従来よりも特性のばらつきの小さい音響整合を得ることができる。また、上述の方法を用いると、接着剤を用いることなく、音響整合層3をケース1に直接接合することができるので、従来のようにエポキシ系の接着剤を必要とせず、化学的な安定性(例えば硫黄Sを含むガスに対する安定性)が向上する。しかしながら、用途などによっては、予め形成した音響整合層を接着剤を用いてケースに接合しても良い。
【0105】
また、この時、圧電体は粉末乾燥ゲルからなる音響整合層を形成する加圧加熱成型時に同時に接着させてもよい。
【0106】
本実施形態によると、低密度で、硬い、音響インピーダンスの低い、厚さ精度の高い、高精度な音響整合層を形成することができ、これを用いることによって高感度な信頼性の高い安定な超音波送受波器を得ることができる。
【0107】
なお、ここでは、圧電体層2を内包する凹部を形成する上板1aと、凹部内の空間を密閉するように配置される底板1bとを有するケース1を用いた例を示したが、これに限られない。例えば、圧電体層2上に音響整合層3を直接接合したものを円筒状のケース内に密閉してもよい。
【0108】
(第2の実施の形態)
図3は本発明の第2の実施の形態の音響整合層を備えた超音波送受波器の製造方法を説明する工程図である。この図を工程1〜工程5の順に説明する。
【0109】
・工程1:多孔体からなる低密度の粉末乾燥ゲルと、10質量%程度の添加剤Aとを用意する。ここで、添加剤Aとして、エポキシ樹脂(主剤)の粉末(添加剤A1)と、このエポキシ樹脂の硬化剤となるポリアミド樹脂の粉末(添加剤A2)とを用いる。
【0110】
・工程2:これらを同一容器内に入れ、混合粉砕し、微細な紛末を作製する。
【0111】
・工程3:低密度の粉末乾燥ゲルと添加剤A1と添加剤A2とからなる混合粉末を所望の量秤量し、圧電体層2が接着されたケース1の上に供給する。
【0112】
この工程までは、上記の実施形態1と同様に実行することができる。
【0113】
・工程4:この混合粉末3の投入されたケース1を加震器等により振動を加え、投入された混合粉末3の層の平坦化を行う。
【0114】
・工程5:この上から混合粉末3の成形体の厚さを制御し、約λ/4の厚さになるようにするために厚さ規制部材(制御部)4を設置し、加熱加圧成型する。そうすると、添加剤A1と添加剤A2とが架橋硬化反応を起こし、低密度の粉末乾燥ゲルが固定化され、硬い(機械強度の優れた)音響整合層を得ることができる。
【0115】
このようにすることによって、粉末乾燥ゲルと添加剤Aと添加剤A2とからなる音響整合層は、接着剤を使用せずにケース1に接着することができる。
【0116】
また、この時、圧電体は粉末乾燥ゲルからなる音響整合層を形成する加圧加熱成型時に同時に接着させてもよい。
【0117】
本実施形態によると、加圧成形によって混合粉末の成形体を形成する前に、混合粉末の層の上面を平坦化する工程をさらに包含しているので、実施形態1で得られる音響整合層よりもさらに特性のばらつきが小さい。
【0118】
(第3の実施の形態)
図4は本発明の第3の実施の形態の音響整合層を備えた超音波送受波器の製造方法を説明する工程図である。この図を工程1〜工程4の順に説明する。
【0119】
・工程1:ケース1に圧電体層2を接着する。接着は公知の接着剤などを用いて行うことができる。
【0120】
・工程2:このケース1の上に音響整合層の厚さを制御し、約λ/4の厚さになるようにするために厚さ規制部材(制御部)として有機膜等からなるO−リング31を設置する。
【0121】
・工程3:このO−リング31が設置されたケース1の上に、ゾル溶液としてpH9〜10のケイ酸水溶液を滴下し、ケイ酸水溶液のpHを5.5に調整する。その後、上から平板32で押え、湿潤ゲル33を形成する。このケイ酸水溶液がゲル化するときに、ケース1の表面のOH基と原料のシラノール基が反応して化学結合し、ケース1の表面に湿潤ゲル膜が形成される。
【0122】
・工程4:得られた湿潤ゲルをトリメチルクロルシラン(TMSC)のアセトン溶液にて疎水化し、脱水処理を行う。また、ヘキサンに溶媒置換後、100℃に維持した容器中で乾燥し、酸化ケイ素のシリカ乾燥ゲル膜34を形成する。そうすると、低密度の乾燥ゲル膜が固定化され、音響整合層を得ることができる。
【0123】
このようにすることによって、乾燥ゲルからなる音響整合層は、接着剤を使用せずにケース1に接着することができる。
【0124】
なお、この時、圧電体は乾燥ゲルからなる音響整合層を形成した後に接着させてもよい。
【0125】
以上により、低密度で、音響インピーダンスの低い、厚さ精度の高い、高精度な音響整合層を形成することができ、これを用いることによって高感度な信頼性の高い安定な超音波送受波器を得ることができる。
【0126】
(第4の実施の形態)
図5は本発明の第4の実施の形態の音響整合層を備えた超音波送受波器の製造方法を説明する工程図である。この図を工程1〜工程4の順に説明する。
【0127】
・工程1:ケース1に圧電体層2を接着させる。
【0128】
・工程2:このケース1の上に音響整合層の厚さを制御し、約λ/4の厚さになるようにするために厚さ規制部材(制御部)として金属等からなるワイア41を設置する。
【0129】
・工程3:このワイア41が設置されたケース1の上に、ゾル溶液としてpH9〜10のケイ酸水溶液を滴下し、ケイ酸水溶液のpHを5.5に調整する。その後、上から平板32で押え、湿潤ゲル33を形成する。このケイ酸水溶液がゲル化するときに、ケース1の表面のOH基と原料のシラノール基が反応して化学結合し、ケース1の表面に湿潤ゲル膜が形成される。
【0130】
・工程4:得られた湿潤ゲルをトリメチルクロルシラン(TMSC)のアセトン溶液にて疎水化し、脱水処理を行う。また、ヘキサンに溶媒置換後、100℃に維持した容器中で乾燥し、酸化ケイ素のシリカ乾燥ゲル膜34を形成する。そうすると、低密度の乾燥ゲル膜が固定化され、音響整合層を得ることができる。
【0131】
このようにすることによって、乾燥ゲルからなる音響整合層は、接着剤を使用せずにケース1に接着することができる。
【0132】
また、この時、圧電体は乾燥ゲルからなる音響整合層を形成した後に接着させてもよい。
【0133】
以上により、低密度で、音響インピーダンスの低い、厚さ精度の高い、高精度な音響整合層を形成することができ、これを用いることによって高感度な信頼性の高い安定な超音波送受波器を得ることができる。
【0134】
(第5の実施の形態)
図6は本発明の第5の実施の形態の音響整合層を備えた超音波送受波器の製造方法を説明する工程図である。この図を工程1〜工程4の順に説明する。
【0135】
・工程1:ケース1に圧電体層2を接着させる。
【0136】
・工程2:このケース1の上に音響整合層の厚さを制御しλ/4の厚さになるようにするために厚さ制御部としてビーズ51を設置する。ビーズ51としては、例えば、後工程の処理において、溶けたり、変質しないものであればよく、ガラスなどの無機材料や架橋された高分子などの有機材料などから形成されたビーズを用いることができる。
【0137】
・工程3:このビーズ51が設置されたケース1の上に、ゾル溶液としてpH9〜10のケイ酸水溶液を滴下し、ケイ酸水溶液のpHを5.5に調整する。その後、上から平板32で押え、湿潤ゲル33を形成する。このケイ酸水溶液がゲル化するときに、ケース1の表面のOH基と原料のシラノール基が反応して化学結合し、ケース1の表面に湿潤ゲル膜が形成される。
【0138】
・工程4:得られた湿潤ゲルをジメチルジメトキシシランのアセトン溶液にて疎水化し、脱水処理を行う。また、ヘキサンに溶媒置換後、100℃に維持した容器中で乾燥し、酸化ケイ素のシリカ乾燥ゲル膜34を形成する。そうすると、低密度の乾燥ゲル膜が固定化され、音響整合層を得ることができる。
【0139】
このようにすることによって、乾燥ゲルからなる音響整合層は、接着剤を使用せずにケース1に接着することができる。
【0140】
また、この時、圧電体は乾燥ゲルからなる音響整合層を形成した後に接着させてもよい。
【0141】
以上により、低密度で、音響インピーダンスの低い、厚さ精度の高い、高精度な音響整合層を形成することができ、これを用いることによって高感度な信頼性の高い安定な超音波送受波器を得ることができる。
【0142】
(第6の実施の形態)
図7は本発明の第6の実施の形態の音響整合層を備えた超音波送受波器の製造方法を説明する工程図である。この図を工程1〜工程4の順に説明する。
【0143】
・工程1:ケース1に圧電体層2およびセラミック61を接着させる。セラミック61は第1の音響整合層として機能する。例えば、セラミック61としては、シリカ、アルミナ、ジルコニアなどを好適に用いることができる。
【0144】
・工程2:このケース1の上のセラミック61上の周辺に音響整合層の厚さを制御し、約λ/4の厚さになるようにするために厚さ規制部材(制御部)として有機膜等からなるO−リング31を設置する。
【0145】
・工程3:このO−リング31が設置されたセラミック61上に、ゾル溶液としてpH9〜10のケイ酸水溶液を滴下し、ケイ酸水溶液のpHを5.5に調整する。その後、上から平板32で押え、湿潤ゲル33を形成する。このケイ酸水溶液がゲル化するときに、ケース1の表面のOH基と原料のシラノール基が反応して化学結合し、ケース1の表面に湿潤ゲル膜が形成される。
【0146】
・工程4:得られた湿潤ゲルをトリメチルクロルシラン(TMSC)のアセトン溶液にて疎水化し、脱水処理を行う。さらに、50℃に維持した容器中で乾燥し、酸化ケイ素のシリカ乾燥ゲル膜34を形成する。そうすると、低密度の乾燥ゲル膜が固定化され、音響整合層を得ることができる。その後、ケース1の底板(蓋板)、駆動端子等を組み付けると圧電振動子10が出来上がる。
【0147】
このようにすることによって、乾燥ゲルからなる音響整合層は、接着剤を使用せずにセラミック61に接着することができ、さらに2層音響整合層による高感度化を達成することができる。
【0148】
また、この時、圧電体は乾燥ゲルからなる音響整合層を形成した後に接着させてもよい。
【0149】
2層構造の音響整合層(圧電体層側を第1音響整合層、気体側を第2音響整合層とする)を採用する場合、第2音響整合層の音響インピーダンスZbが第1音響整合層の音響インピーダンスZaよりも小さいことが好ましい。また、第1音響整合層の密度が400kg/m3以上1500kg/m3以下の範囲内にあり、第2音響整合層の密度が50kg/m3以上500kg/m3以下の範囲内にあり、かつ第2音響整合層の密度が第1音響整合層の密度よりも小さいことが好ましい。例えば、第1音響整合層の密度が400kg/m3超800kg/m3以下の範囲内にあり、第2音響整合層の密度が50kg/m3以上400kg/m3以下の範囲内にある。
【0150】
第1音響整合層は、ここで例示したセラミックスや、無機材料の繊維体、焼結多孔体、ガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂マトリクスで固めた材料などの公知の材料を用いて形成することができる。一方、乾燥ゲルを用いることによって上記の条件を満足する第2音響整合層を得ることができる。
【0151】
本実施形態によると、低密度で、音響インピーダンスの低い、厚さ精度の高い第2音響整合層を形成することができるので、2層構造の音響整合層の特性をさらに向上することができる。従って、本実施形態の音響整合層を用いることによって、高感度な信頼性の高い安定な超音波送受波器を得ることができる。
【0152】
(第7の実施の形態)
図8は本発明の超音波流量計に用いる超音波送受波器の圧電振動子の断面図である。この図において、電気−超音波相互変換を行う圧電振動子10は、圧電体層2と音響整合層100で構成されている。圧電体層2は、超音波振動を発生するもので、圧電セラミックや圧電単結晶等からなり、厚さ方向に分極され、上下面に電極を有している。音響整合層100は、気体に超音波を送波、または気体を伝搬して来た超音波を受波するためのもので、駆動交流電圧により励振される圧電体層2の機械的振動が外部の媒体に超音波として効率よく放射され、到来した超音波が効率よく電圧に変換される役目を有し、上記実施の形態を用いて形成され、圧電体層2における超音波の送受波面を形成する状態にしてケース1の外側に化学結合により貼り合わされている。
【0153】
さらに、厚さ制御部101によって音響整合層100の厚さが厳密に規定されることによって表面凹凸も存在しない。
【0154】
このように構成されている超音波送受波器では、駆動端子に超音波送受波器の共振周波数近傍の周波数の交流信号成分を持つバースト信号電圧を印加すると、圧電振動子10は厚さ振動モードで振動し、気体または液体中等の流体中にバースト状の超音波を放射することになる。
【図面の簡単な説明】
【0155】
【図1】(a)および(b)は、本発明の実施形態による音響製造層の構造を模式的に示す断面図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態の超音波送受波器における製造方法を説明する工程図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態の超音波送受波器における製造方法を説明する工程図である。
【図4】本発明の第3の実施の形態の超音波送受波器における製造方法を説明する工程図である。
【図5】本発明の第4の実施の形態の超音波送受波器における製造方法を説明する工程図である。
【図6】本発明の第5の実施の形態の超音波送受波器における製造方法を説明する工程図である。
【図7】本発明の第6の実施の形態の超音波送受波器における製造方法を説明する工程図である。
【図8】本発明の超音波送受波器の断面図である。
【図9】従来の超音波送受波器を用いた超音波流量計の構成を模式的に示すブロック図である。
【図10】従来の超音波受波器の構成を模式的に示す断面図である。
【図11】(a)および(b)は、従来の超音波受波器の音響整合層の構成を模式的に示す図であり、(a)は断面図、(b)は上から見た図である。
【Technical field】
[0001]
The present invention relates to an acoustic matching layer used for matching acoustic impedance, an ultrasonic transducer for transmitting and receiving ultrasonic waves, a manufacturing method thereof, and an ultrasonic flowmeter using the same. is there.
[Background Art]
[0002]
FIG. 10 is a cross-sectional view schematically illustrating a configuration of a conventional ultrasonic generator (also referred to as a “piezoelectric vibrator”) 10. The ultrasonic generator 10 includes a case 1, a piezoelectric layer (vibration means) 2, and an acoustic impedance matching layer (matching means, hereinafter referred to as "acoustic matching layer"). The case 1 and the piezoelectric layer 2 are adhered by using an adhesive layer made of an adhesive (for example, epoxy-based). Case 1 and acoustic matching layer 100 are similarly connected using an adhesive. The piezoelectric layer vibrates at about 500 kHz, and the vibration is transmitted to the case 1 via an adhesive layer (not shown), and further transmitted to the acoustic matching layer 100 via the adhesive layer. The vibration of the acoustic matching layer 100 propagates as a sound wave to the gas existing in the space. Although not described for the sake of simplicity, a pair of electrodes (not shown) for polarizing the piezoelectric layer 2 in the thickness direction is provided on both sides of the piezoelectric layer 2, and the ultrasonic generator 10 Can mutually convert electrical energy and mechanical energy by the piezoelectric layer 2. The case 1 has an upper plate 1a forming a recess enclosing the piezoelectric layer 2 and a bottom plate 1b arranged so as to seal the space in the recess. The piezoelectric layer 2 is sealed in the recess. I have. One of the electrodes formed on the pair of main surfaces of the piezoelectric layer 2 is connected to the terminal 5a via the case 1, and the other is connected to the terminal 5b. Therefore, the case 1 is generally formed from a conductive metal.
[0003]
The role of the acoustic matching layer 100 is to efficiently propagate the vibration of the piezoelectric layer 2 to the gas. The acoustic impedance Z defined by the equation (1) differs greatly between the piezoelectric layer 2 and the gas depending on the sound velocity C and the density ρ of the substance.
[0004]
Z = ρ × C (1)
[0005]
The acoustic impedance Z1 of the piezoelectric material constituting the piezoelectric material layer 2 is 30 × 106(Kg / s ・ mTwo), The acoustic impedance Z3 of a gas, for example, air is 4.28 × 10Two(Kg / s ・ mTwo). The acoustic impedances of the piezoelectric body and the metal are almost equal. As described above, reflection occurs in the propagation of sound (vibration) on the boundary surfaces having different acoustic impedances, and as a result, the intensity of transmitted sound decreases. However, sound reflection can be reduced by inserting a substance having another acoustic impedance between two substances having different acoustic impedances.
[0006]
In general, it is possible to eliminate sound reflection by inserting a substance having an acoustic impedance Z2 satisfying the following expression (2) between the piezoelectric layer 2 and a space (a gas medium on the side from which sound waves are emitted). Are known.
[0007]
Z2 = (Z1 · Z3)1/2... (2)
[0008]
The above Z1 = 30 × 106(Kg / s ・ mTwo) And Z3 = 4.28 × 10Two(Kg / s ・ mTwo), The value of Z2 is 0.11 × 106(Kg / s ・ mTwo). A substance that satisfies this acoustic impedance is required to be a solid substance having a low density and a low sound velocity.
[0009]
In general, a gas ultrasonic generator using a piezoelectric material such as PZT also efficiently radiates ultrasonic waves generated by PZT to gas (air) as a propagation medium. Are provided. In an ultrasonic transducer that emits ultrasonic waves generated by PZT into the air, the acoustic impedance Z1 of air (gas) (about 400 kg / s · m)Two) Is the acoustic impedance Z3 of PZT (solid) (about 30 × 10Fivekg / s ・ mTwo), Which is an order of magnitude smaller than 100,000, so that the acoustic impedance of the acoustic matching layer is extremely important to efficiently radiate ultrasonic waves.
[0010]
Conventionally, as an acoustic matching layer provided on the vibration surface of a piezoelectric layer (also referred to as an “ultrasonic transducer”) made of piezoelectric ceramics such as PZT (lead zirconate titanate), as shown in FIG. Further, an acoustic matching layer 100 made of an epoxy resin 112 mixed with a glass balloon (a hollow fine glass sphere) 110 is known. The acoustic matching layer 100 has a small glass balloon 110 hardened with an epoxy resin 112 to reduce the density. Since the glass balloon 110 needs to be sufficiently smaller than the wavelength of the sound transmitted through the acoustic matching layer, a glass balloon having a diameter of 100 μm or less is used.
[0011]
The strength of sound transmitted through the acoustic matching layer 100 to the gas also depends on the thickness of the acoustic matching layer 100 (the distance over which sound waves propagate in the acoustic matching layer). The sound wave from the piezoelectric layer 2 is divided into a transmitted wave and a wave reflected at the boundary between the acoustic matching layer 100 and the gas. The reflected wave is reflected at the boundary surface between the acoustic matching layer 100 and the piezoelectric layer 2, and in this case, the wave has a phase inverted. A part of this wave becomes a wave transmitted at the boundary surface between the acoustic matching layer 100 and the gas. When the thickness t at which the transmittance T is maximized is determined by combining these waves, t = λ / 4.
[0012]
When the acoustic matching layer 100 including the glass balloon 110 is used, its sound speed is 2000 m / s. Therefore, when the frequency of the sound is 500 kHz, the wavelength λ of the sound propagating through the acoustic matching layer 100 is 4 mm. Therefore, the optimal value of the thickness t of the acoustic matching layer 100 is 1 mm.
[0013]
The theoretical formula for calculating the ultrasonic energy transmittance T from the ultrasonic transducer to the external propagation medium when the acoustic matching layer is provided on the vibration surface of the ultrasonic transducer is as follows. If it is set to an integral multiple, it is simplified and expressed as in the following equation (3).
[0014]
T = 4 ・ Z1 ・ Z3 ・ Z2Two/ (Z1, Z3 + Z2Two)Two... (3)
[0015]
Considering the relationship between the ultrasonic energy transmittance T to the air and the acoustic impedance Z2 of the acoustic matching layer 100 in the acoustic matching layer 100 using a conventional glass balloon-containing epoxy resin, the acoustic impedance of the glass balloon-containing epoxy resin is approximately 1.2 × 106kg / s ・ mTwoAnd Z2Two≒ 1.44 × 1012On the other hand, in the above example, Z1 · Z3 is equal to Z1 · Z3 = 400 × 1.2 × 106= 4.8 × 108And Z1, Z3≪Z2TwoTherefore, the above equation (3) further satisfies T ≒ 4 · Z1 · Z3 / Z2.TwoIt can be seen that the ultrasonic energy transmittance T is inversely proportional to the square of the acoustic impedance Z2 of the acoustic matching layer 100. That is, as the acoustic impedance Z2 of the acoustic matching layer 100 is smaller, the ultrasonic energy transmittance T is improved.
[0016]
FIG. 9 is a diagram schematically showing a configuration of an ultrasonic flowmeter provided with the above-described ultrasonic generator 10. Here, a pair of ultrasonic generators 10 are used as a pair of ultrasonic transducers 101 and 102.
[0017]
As shown in FIG. 9, the pair of ultrasonic generators 101 and 102 are arranged inside a pipe (tube wall) 52 that defines a gas flow path 51. If the ultrasonic transducer 101 or 102 breaks, gas leaks to the outside of the tube 52. Therefore, the material of the case (case 1 in FIG. 9) of the ultrasonic transducers 101 and 102 is a fragile material such as ceramic or resin. It is difficult to choose. Therefore, a metal material such as stainless steel or iron is used for the material of the case.
[0018]
Now, as shown in FIG. 9, it is assumed that the fluid is flowing in the flow path 51 at a velocity V in the direction indicated by the thick arrow along the flow path. Inside the tube wall 52, a pair of ultrasonic transducers 101 and 102 are installed facing each other. The ultrasonic transducers 101 and 102 are configured using a piezoelectric vibrator such as a piezoelectric ceramic as an electric energy / mechanical energy conversion element, and exhibit resonance characteristics like a piezoelectric buzzer and a piezoelectric oscillator. Here, for example, the ultrasonic transducer 101 is used as an ultrasonic transducer, and the ultrasonic transducer 102 is used as an ultrasonic transducer. Further, a driving circuit 54 for driving the ultrasonic transmitters / receivers 101 and 102 is connected to the ultrasonic transmitter 101 and the ultrasonic receiver 102 via a switching circuit 55 for switching between transmission and reception, and an ultrasonic pulse is supplied to the ultrasonic transmitter 101 and the ultrasonic receiver 102. A reception detection circuit 56 for detection, a timer 57 for measuring the propagation time of the ultrasonic pulse, a calculation unit 58 for calculating the flow rate from the output of the timer 57 by calculation, and a control unit 59 for outputting a control signal to the drive circuit 54 and the timer 57 are connected. Have been.
[0019]
The operation of the ultrasonic flow meter will be described below.
[0020]
First, when an AC voltage having a frequency near the resonance frequency is applied to the piezoelectric layer of the ultrasonic transmitter 101, the ultrasonic transmitter 101 transmits the ultrasonic wave through a propagation path indicated by L in FIG. The ultrasonic wave is radiated and received by the ultrasonic wave receiver 102 and converted into a voltage.
[0021]
Subsequently, on the contrary, the ultrasonic transducer 102 is used as an ultrasonic transducer, and the ultrasonic transducer 101 is used as an ultrasonic transducer. By applying an AC voltage having a frequency near the resonance frequency to the piezoelectric layer of the ultrasonic transmitter 102, the ultrasonic transmitter 102 transmits the ultrasonic wave through an external fluid through a propagation path indicated by L in FIG. The ultrasonic wave is radiated, and the ultrasonic wave receiver 101 receives the transmitted ultrasonic wave and converts it into a voltage. As described above, since the ultrasonic transmitters 101 and 102 serve as a receiver and a transmitter, they are generally called ultrasonic transmitters and receivers. The propagation direction of the ultrasonic wave in the propagation path L is an arrow (two-way) shown in the propagation path L.
[0022]
In FIG. 9, the flow velocity of the fluid flowing through the pipe 52 is V, the velocity of the ultrasonic wave in the fluid is C, and the angle between the direction in which the fluid flows (thick arrow) and the propagation direction of the ultrasonic pulse (arrow in L) is shown. θ. When the ultrasonic transmitter / receiver 101 is used as a transmitter and the ultrasonic transmitter / receiver 102 is used as a receiver, the time when an ultrasonic pulse emitted from the ultrasonic transmitter / receiver 101 reaches the ultrasonic transmitter / receiver 102 If the sing-around period is t1 and the sing-around frequency f1 is, the following equation (4) is established.
[0023]
f1 = 1 / t1 = (C + Vcos θ) / L (4)
[0024]
Conversely, if the sing-around period is t2 and the sing-around frequency f2 when the ultrasonic transducer 102 is used as a transmitter and the ultrasonic transducer 101 is used as a receiver, the following equation (5) is obtained. ) Holds.
[0025]
f2 = 1 / t2 = (C−Vcos θ) / L (5)
[0026]
Accordingly, the frequency difference Δf between the two sing-around frequencies is expressed by the following equation (6), and the flow velocity V of the fluid can be obtained from the distance L of the ultrasonic wave propagation path and the frequency difference Δf.
[0027]
Δf = f1−f2 = 2Vcosθ / L (6)
[0028]
That is, the flow velocity V of the fluid can be obtained from the distance L of the ultrasonic wave propagation path and the frequency difference Δf, and the flow rate can be checked from the flow velocity V.
[0029]
In the conventional ultrasonic generator, in order to keep the acoustic impedance of the acoustic matching layer low, the acoustic matching layer is formed using a material having a low density, for example, a material obtained by solidifying a glass balloon or a plastic balloon with a resin material or the like. Was. Further, the acoustic matching layer has been formed by a method of thermally compressing a glass balloon or a method of foaming a molten material. These methods are disclosed in, for example, Japanese Patent No. 2559144.
[0030]
The conventional acoustic matching layer is made by mixing a glass balloon having a smaller particle size than the ultrasonic wave into the epoxy resin (that is, the air gap having a small acoustic impedance that does not irregularly reflect the ultrasonic wave in the epoxy resin). Since the acoustic impedance Z2 of the acoustic matching layer is reduced (by scattering), the mixing ratio of the glass balloon to the epoxy resin may be increased to further reduce the acoustic impedance. When the ratio is increased, the viscosity of the epoxy resin agent containing the glass balloon increases, and it becomes difficult to uniformly mix the glass balloon and the epoxy resin agent.Therefore, to increase the mixing ratio of the glass balloon to the epoxy resin agent, There are certain limitations. Therefore, it is difficult to produce an acoustic matching layer having a lower acoustic impedance with a glass balloon-containing epoxy resin.
[0031]
The acoustic impedance of the conventional acoustic matching layer made of epoxy resin containing a glass balloon is about 1.2 × 106kg / s ・ mTwoAnd about 2/3 of the acoustic impedance of the acoustic matching layer made of only epoxy resin, and the ultrasonic energy transmittance T is 9/4 as compared with that using the acoustic matching layer made of only epoxy resin. It is improved twice.
[0032]
However, even when the ultrasonic energy transmittance T in the case of using the acoustic matching layer made of the epoxy resin filled with the glass glass balloon from the above equation (3) is calculated, it is understood that T ≒ 3%, which is not sufficient.
[0033]
The acoustic matching layer used in the conventional ultrasonic transducer used in the ultrasonic flowmeter is formed by, for example, thermally compressing a glass balloon or foaming a molten material as described above. Had been. For this reason, the medium is likely to be non-homogeneous due to breakage of the glass sphere due to pressure, separation due to insufficient pressure, foaming of the exfoliated molten material, etc., causing variations in characteristics in the acoustic matching layer, which causes variations in device precision. There was a problem that it was.
[0034]
Further, in the above-described conventional process of manufacturing an acoustic matching layer made of epoxy resin containing glass balloons, cutting and / or surface polishing is performed so that a cured product of the epoxy resin containing glass balloons has a desired size and / or thickness. Because of the mechanical processing such as the above, there is a problem that the thickness of the acoustic matching layer deviates from a preferable value, or the thickness becomes uneven, or irregularities are formed on the surface. As a result, sufficient performance could not be obtained.
[0035]
On the other hand, the applicant of the present application discloses a case in which a conventional glass balloon-filled epoxy resin is used in Japanese Patent Application No. 2001-56501 (filing date: February 28, 2001) by forming an acoustic matching layer using a dry gel. For example, it describes that variations in characteristics in the acoustic matching layer can be reduced.
[0036]
However, in order to further improve the performance of, for example, an ultrasonic flowmeter, it is desired to further reduce the variation in the characteristics of the acoustic matching layer using the dried gel.
[0037]
According to the results examined by the inventor, the variation in the thickness of the acoustic matching layer is smaller than in the past, but also occurs when a dry gel is used. It was also found that when a dry gel was formed by drying a wet gel, there was a variation in characteristics due to unevenness in the drying process.
DISCLOSURE OF THE INVENTION
[Problems to be solved by the invention]
[0038]
The present invention has been made in view of the above problems, and a main object thereof is to provide an acoustic matching layer in which variation in characteristics is reduced as compared with the related art, and an ultrasonic wave including such an acoustic matching layer. It is an object of the present invention to provide a transducer and an ultrasonic flowmeter. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing such an acoustic matching layer and an ultrasonic transducer.
[Means for Solving the Problems]
[0039]
The acoustic matching layer according to the first aspect of the present invention comprises a dry gel powder.
[0040]
In one embodiment, the density of the dried gel is 500 kg / mThreeOr less, and the average pore diameter is 100 nm or less.
[0041]
In one embodiment, the average particle size of the powder of the dried gel is in a range of 1 μm or more and 100 μm or less.
[0042]
In one embodiment, the solid skeleton of the dried gel includes an inorganic oxide. Preferably, the solid skeleton is hydrophobized.
[0043]
In one embodiment, the inorganic oxide is silicon oxide or aluminum oxide.
[0044]
In one embodiment, the powder of the heat-binding polymer contains 40% by mass or less of the whole.
[0045]
In one embodiment, the thermal binding polymer powder has an average particle diameter in a range of 0.1 μm or more and 50 μm or less.
[0046]
In one embodiment, the acoustic impedance is 5 × 10Fourkg / s ・ mTwoMore than 20 × 10Fourkg / s ・ mTwoIt is in the following range.
[0047]
In one embodiment, the temperature change rate of the acoustic impedance in the range of 25 ° C. or more and 70 ° C. or less is −0.04% / ° C. or less (absolute value is 0.04% / ° C. or less).
[0048]
In one embodiment, the thickness of the acoustic matching layer is about one quarter of the wavelength λ of the sound wave propagating in the acoustic matching layer.
[0049]
An ultrasonic transducer according to a first aspect of the present invention includes a piezoelectric layer and any one of the above acoustic matching layers provided on the piezoelectric layer.
[0050]
In one embodiment, the acoustic matching layer is directly bonded on the piezoelectric layer.
[0051]
In one embodiment, the piezoelectric device further includes a case having an upper plate forming a concave portion including the piezoelectric layer, and a bottom plate arranged to seal a space in the concave portion, wherein the piezoelectric layer is formed of the case. The acoustic matching layer is directly bonded to the upper surface of the upper plate so as to face the piezoelectric layer via the upper plate.
[0052]
An ultrasonic flowmeter according to a first aspect of the present invention includes a flow measurement unit through which a fluid to be measured flows, a pair of ultrasonic transducers provided in the flow measurement unit for transmitting and receiving ultrasonic signals, and the ultrasonic transmission and reception unit. A measuring circuit for measuring an ultrasonic propagation time between wave devices, and an ultrasonic flowmeter including a flow rate calculating circuit for calculating a flow rate based on a signal from the measuring circuit, wherein the pair of ultrasonic transducers Are constituted by the ultrasonic transducer according to any of the above.
[0053]
The method for manufacturing an acoustic matching layer according to the first aspect of the present invention includes a step of preparing a mixed powder of a powder of a dry gel and a powder of a heat-binding polymer, and a step of press-molding the mixed powder. Include.
[0054]
In one embodiment, the step of preparing the mixed powder includes the step of preparing the dry gel, the step of preparing a powder of the heat binding polymer, and the step of preparing the dry gel and the heat binding polymer. Pulverizing while mixing with the powder.
[0055]
In one embodiment, the step of press-molding the mixed powder includes a step of heating the mixed powder.
[0056]
In one embodiment, the step of press-molding the mixed powder includes a step of controlling a thickness of a compact of the mixed powder obtained by the pressure molding to a predetermined thickness.
[0057]
In one embodiment, the step of press-molding the mixed powder includes a step of supplying a predetermined amount of the mixed powder on a lower molding surface, and a step of forming the mixed powder supplied on the lower molding surface. Planarizing the upper surface of the layer.
[0058]
A method for manufacturing an ultrasonic transducer according to a first aspect of the present invention is a method for manufacturing an ultrasonic transducer including a piezoelectric layer and an acoustic matching layer provided on the piezoelectric layer. Forming the acoustic matching layer by any one of the above-described manufacturing methods.
[0059]
In one embodiment, the acoustic matching layer is directly bonded on the piezoelectric layer.
[0060]
In one embodiment, the ultrasonic transmission / receptionvesselFurther includes a case having an upper plate forming a recess enclosing the piezoelectric layer, and a bottom plate arranged to seal a space in the recess, wherein the acoustic matching layer is provided on the case. Directly bonded to the top surface of the board.
[0061]
A method for manufacturing an ultrasonic transducer according to a second aspect of the present invention is a method for manufacturing an ultrasonic transducer including a piezoelectric layer and an acoustic matching layer provided on the piezoelectric layer. The process of forming the acoustic matching layer includes: (a) a step of preparing a gel raw material liquid; and (b) providing a thickness regulating member having a predetermined height on a surface on which the acoustic matching layer is formed. (C) applying the gel raw material liquid on the surface; and (d) adjusting the thickness of the liquid layer formed by the gel raw material liquid applied on the surface to the height of the thickness regulating member. (E) a solidification step of forming a wet gel from the gel raw material liquid, and (f) a drying step of forming a dry gel by removing a solvent contained in the wet gel. Include. According to the ultrasonic transducer manufacturing method of the second aspect, the thickness of the acoustic matching layer is controlled to a predetermined thickness, so that variations in characteristics due to variations in thickness are suppressed.
[0062]
In one embodiment, the acoustic matching layer has a first acoustic matching layer disposed on the piezoelectric layer side, and a second acoustic matching layer provided on the first acoustic matching layer. The process of forming the acoustic matching layer includes the above steps (a) to (f).
[0063]
In one embodiment, the thickness regulating sectionLumberIs about one quarter of the wavelength λ of the sound wave propagating in the corresponding acoustic matching layer.
[0064]
The dry gel used for the acoustic matching layer according to the present invention may be a dry gel having an inorganic oxide as a solid skeleton or a dry gel having an organic polymer as a solid skeleton.
【The invention's effect】
[0065]
Since the acoustic matching layer according to the first aspect of the present invention includes the powder of the dried gel, the variation in the characteristics due to the unevenness of the drying process of the wet gel is suppressed.
[0066]
According to the second aspect of the present invention, in the process of manufacturing the acoustic matching layer, the thickness of the acoustic matching layer is controlled. Therefore, variations in the characteristics due to variations in the thickness of the acoustic matching layer and irregularities on the surface are suppressed.
[0067]
Further, when a dry gel of an inorganic oxide or an organic polymer is formed, the OH groups on the surface of the piezoelectric body or the surface of the container (case) react with the components of the raw material to be chemically bonded and adhered. There is also obtained an excellent effect that a so-called ultrasonic transducer without an adhesive layer can be obtained.
[0068]
Further, by forming an acoustic matching layer made of a dried gel of an inorganic oxide or an organic polymer with a high thickness accuracy on the conventional acoustic matching layer, a more highly sensitive ultrasonic transducer can be obtained. Can be
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0069]
The acoustic matching layer according to the first aspect of the present invention includes a dry gel powder. By forming the acoustic matching layer using the powder of the dry gel, variation in characteristics due to unevenness in the drying process of the wet gel is suppressed.
[0070]
FIGS. 1A and 1B schematically show the structure of an acoustic production layer according to an embodiment according to the first aspect of the present invention.
[0071]
The acoustic matching layer 3A shown in FIG. 1A is composed of a powder of a dry gel (hereinafter, also referred to as “powder dry gel”) 3a and an additive 3b.
[0072]
The `` dry gel '' in the present specification is a porous body formed by a sol-gel reaction, and a solid skeleton solidified by a reaction of a gel raw material liquid is dried through a wet gel including a solvent. It is formed by removing the solvent.
[0073]
In order to obtain a dried gel, the method of drying after removing the solvent from the wet gel is a drying method under special conditions such as supercritical drying or freeze drying, or a normal drying method such as heating drying, drying under reduced pressure, and drying by standing naturally. A method can be used.
[0074]
Supercritical drying is a method in which the solvent is removed in a supercritical state at a temperature and pressure above its critical point, and there is no gas-liquid interface and no drying stress is applied to the solid skeleton of the gel, so it shrinks or shrinks. A very low-density dried gel can be obtained without performing. On the other hand, the dried gel obtained by supercritical drying may be affected by stress in the use environment, for example, dew condensation, heat stress, chemical stress, mechanical stress, and the like.
[0075]
On the other hand, a dried gel obtained by a normal drying method has a characteristic of being highly durable even in a subsequent use environment stress because it can withstand drying stress. In order to obtain a low-density dry gel by such a normal drying method, it is necessary to make the solid skeleton part capable of withstanding stress in a wet gel stage before drying. For example, aging the solid skeleton to increase its strength, applying temperature conditions or a polyfunctional hydrophobizing agent that is easy to polymerize to reinforce the solid skeleton when hydrophobizing, or reducing the size of the pores It can be realized by controlling. In particular, when measuring the flow rate of a gas, it may be used in various environments, so it is preferable to obtain the acoustic matching layer with a dried gel prepared by a normal drying method. In addition, when a normal drying method is applied, since the process is not a high-pressure process such as supercritical drying, there are advantages such as simplification of equipment and easy handling.
[0076]
The dried gel obtained by the above method is a nanoporous body in which continuous pores having an average pore diameter in a range of 1 nm to 100 nm are formed by a solid skeleton having a nanometer size. Therefore, the density is 500 kg / mThreeOr less, preferably 400 kg / mThreeIn the following low-density conditions, the speed of sound propagating through the solid portion of the dried gel forming the unique network skeleton is extremely low, and the speed of sound propagating through the gas portion of the porous body through the pores is extremely low. It has the property of becoming smaller. Therefore, it has a characteristic that a very low value of 500 m / s or less is exhibited as a sound velocity, and a low acoustic impedance can be obtained.
[0077]
In the nanometer-sized pore portion, the pore size is less than or equal to the mean free path of the gas molecules, and the pressure loss of the gas is large. It also has the characteristic that it can be radiated by pressure.
[0078]
The average particle size of the dried powder gel is preferably 1 μm or more and 100 μm or less. If it is smaller than this lower limit, the number of pores in the powder will decrease and the characteristic of dried gelWhatThe effect is reduced, and the required amount of additives for molding increases, so that it may be difficult to obtain a low-density acoustic matching layer. If the average particle size of the powder dried gel is larger than the upper limit, it is difficult to control the thickness of the acoustic matching layer, and it is difficult to form an acoustic matching layer having sufficient thickness uniformity and surface flatness. There is.
[0079]
The solid skeleton of the dried gel may be an inorganic oxide or an organic polymer. Further, it is preferable that the solid skeleton is made hydrophobic. By making the surface hydrophobic, for example, when moisture or impurities are present in the gas to be measured, the gas or the impurities can be made less susceptible to the adsorption or adhesion of the moisture or impurities, so that a more reliable acoustic matching layer can be obtained.
[0080]
Hydrophobicization of the solid skeleton of the dried gel of inorganic oxide is performed using a surface treatment agent such as a silane coupling agent. Examples of the surface treatment agent include halogen-based silane treatment agents such as trimethylchlorosilane, dimethyldichlorosilane, methyltrichlorosilane, and ethyltrichlorosilane, and alkoxy-based agents such as trimethylmethoxysilane, trimethylethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, and methyltriethoxysilane. Silane treating agents, silicone-based silane treating agents such as hexamethyldisiloxane and dimethylsiloxane oligomer, amine-based silane treating agents such as hexamethyldisilazane, alcohol-based treating agents such as propyl alcohol, butyl alcohol, hexyl alcohol, octanol, decanol Etc. can be used.
[0081]
Further, by using a fluorinated treating agent in which a part or all of the hydrogen of the alkyl group of these treating agents is replaced by fluorine, in addition to hydrophobicity (water repellency), further excellent oil repellency, antifouling property, etc. The effect obtained is as follows.
[0082]
As the solid skeleton of the dried gel of the inorganic oxide, one containing at least silicon oxide (silica) or aluminum oxide (alumina) can be suitably used. The solid skeleton of the dried gel of the organic polymer can be made of a general thermosetting resin or thermoplastic resin. For example, polyurethane, polyurea, phenol cured resin, polyacrylamide, polymethyl methacrylate, and the like can be applied.
[0083]
In particular, a dried gel having a solid skeleton of an inorganic oxide has excellent humidity resistance and chemical resistance, and also has excellent temperature characteristics of acoustic impedance. That is, when a dry gel of an inorganic oxide is used, the temperature change rate of the acoustic impedance within the range of 25 ° C. or more and 70 ° C. or less is −0.04% / ° C. or less (the absolute value is 0.04% / ° C. or less). Meaning) acoustic matching layer can be obtained. In contrast, when a conventional epoxy / glass balloon system or organic polymer gel is used, it is difficult to make the absolute value of the temperature change rate of the acoustic impedance 0.04% / ° C. or less.
[0084]
When the temperature change rate of the acoustic impedance is small, for example, when used in an ultrasonic flowmeter described later, high measurement accuracy can be obtained over a wide temperature range.
[0085]
As the additive (binder) 3b for bonding the powder dried gels 3a to each other and improving the mechanical strength of the acoustic matching layer 3A, a polymer powder having thermal binding properties can be suitably used. When a liquid material is used, it penetrates into the pores of the dried gel, changing the acoustic characteristics and lowering the moldability.underTherefore, it is preferable to use a solid material, particularly a powder.
[0086]
Here, the term “thermally binding polymer” refers to a polymer that is solid at room temperature, melts or softens by heating, and then solidifies. Thermo-binding polymers are not only general thermoplastic resins (for example, engineering plastics such as polyethylene and polypropylene), but also, for example, thermosetting resins that are solid at room temperature, soften once by heating, and then cross-link and harden. (For example, phenol resin, epoxy resin, urethane resin) can be used. When the thermosetting resin contains the main agent and the curing agent, each may be added as separate powders. Of course, a mixture of a thermoplastic resin and a thermosetting resin may be used. The melting (softening) temperature of the heat-binding polymer powder is preferably in the range of 80 ° C to 250 ° C.
[0087]
When a heat-binding polymer is used as an additive, it typically melts (softens) when a mixed powder of the powdery dry gel 3a and the additive is pressed while being heated, as described later. When the additive solidifies with cooling and / or cross-links and hardens, the additive becomes the same as the powder dry gel 3a.ChiefPlay a role in joining.
[0088]
The average particle diameter of the heat-binding polymer powder is preferably 0.1 μm or more and 50 μm or less. If it is smaller than the lower limit, the particle diameter becomes close to the pore diameter of the powdery dried gel, so that the binding property may be reduced or the moldability may be reduced. On the other hand, if it is larger than the upper limit, the addition amount required for molding increases, so that it may be difficult to obtain a low-density acoustic matching layer.
[0089]
Further, the addition amount of the heat binding polymer powder is preferably 40% by mass or less of the whole. If the total amount exceeds 40% by mass, the density at the time of molding may increase. In order to obtain sufficient mechanical strength, for example, it is preferable to add 5% by mass or more of the whole.
[0090]
In order to strengthen the bonding between the above-mentioned additive (sometimes referred to as “additive A”) and the powdered dry gel, as shown in FIG. 1B, as shown in the acoustic matching layer 3B schematically shown in FIG. Inorganic fibers (eg, glass wool or organic fibers) and whiskers may be further added (sometimes referred to as “additive B”). In the acoustic matching layer 3B shown in FIG. 1B, the additive 3b is the same heat-binding polymer powder as described above, and the additive 3c is a short fiber. The preferred diameter range of the short fibers is about the same as the average particle diameter of the above-mentioned heat-binding polymer powder, and the length of the fibers is preferably about several μm to several mm.
[0091]
The addition amount of the two types of additives is preferably 40% by mass or less based on the whole, and the mixing ratio is appropriately set as necessary.
[0092]
The acoustic matching layer using the powdered dry gel of the present invention has an additional advantage that the acoustic impedance can be easily adjusted. For example, by mixing a plurality of types of powdered dry gels having different densities from each other, the acoustic impedance can be adjusted. Further, the acoustic impedance can be adjusted by adjusting the amount of the above-mentioned additive A (additive B if necessary). Of course, the amount of the additives A and B is preferably within the above range in consideration of moldability and the like.
[0093]
Preferably, the thickness of each of the acoustic matching layers 3A and 3B is about の of the wavelength λ of the sound wave propagating in each acoustic matching layer.
[0094]
A method of manufacturing an ultrasonic transducer according to an embodiment according to the second aspect of the present invention is a method of manufacturing an ultrasonic transducer including a piezoelectric layer and an acoustic matching layer provided on the piezoelectric layer. The process of forming the acoustic matching layer includes (a) a step of preparing a gel raw material liquid, and (b) providing a thickness regulating member having a predetermined height on a surface on which the acoustic matching layer is formed. A step of applying the gel raw material liquid on the surface (c), and the thickness of the liquid layer formed by the gel raw material liquid applied on the surface (d) is substantially equal to the height of the thickness regulating member. And (e) a solidifying step of forming a wet gel from the gel raw material liquid, and (f) a drying step of forming a dry gel by removing a solvent contained in the wet gel. Therefore, since the thickness of the acoustic matching layer is controlled to a predetermined thickness, variation in characteristics due to variation in thickness is suppressed.
[0095]
Needless to say, by forming the acoustic matching layer using the above-mentioned powdered dry gel, variation in characteristics is further suppressed. In addition, when a dry powder gel is used, a dry powder gel can be prepared in advance, so that there is an advantage that the productivity of the ultrasonic transducer can be improved. That is, in the above-described ultrasonic transducer manufacturing process, the step of solidifying the gel raw material liquid to obtain a wet gel and the step of drying the wet gel can be performed in advance, so that the manufacturing of the ultrasonic transducer is performed. Throughput can be improved.
[0096]
Hereinafter, more specific embodiments of the present invention will be described. The basic structure of the ultrasonic transducer, except for the acoustic matching layer and the joining structure thereof, is the same as that of the conventional ultrasonic transducer 10 shown in FIG.
[0097]
Next, an embodiment of a method of manufacturing the acoustic matching layer 100 shown in FIG. 8 and attaching the same to the piezoelectric layer 2 or the case 1 to manufacture an ultrasonic transducer using FIGS. Will be described.
[0098]
(First Embodiment)
FIG. 2 is a process diagram illustrating a method for manufacturing an ultrasonic transducer having an acoustic matching layer according to the first embodiment of the present invention. This drawing will be described in the order of Step 1 to Step 4.
[0099]
Step 1: low-density dry gel made of porous material (density: about 200 kg / mThree~ 400kg / mThree) And about 10% by mass (based on the whole) of additive A and additive B. The dried gel prepared here does not necessarily need to be a powder. It may be in a block shape. The dry gel is, for example, a silica dry gel having an average pore diameter of 20 nm, the additive A is a polypropylene powder, and the additive B is a glass wool having a fiber diameter of about 10 μm.
[0100]
Step 2: These are placed in the same container, mixed and pulverized to produce a fine powder. It is typically performed using a mill. Here, the pulverization conditions are adjusted so that a powdery dry gel having the desired average particle size described above is obtained. Moreover, you may classify as needed. Of course, the step of pulverizing the dried gel and the step of mixing may be performed separately.
[0101]
Step 3: A desired amount of a mixed powder composed of a low-density powder dry gel, an additive A and an additive B is weighed and supplied onto the case 1 to which the piezoelectric layer 2 is adhered.
[0102]
Step 4: A thickness regulating member (control unit) 4 is installed from above to control the thickness of the compact of the mixed powder 3 so as to have a thickness of about λ / 4, and is heated and pressed. Mold. Then, the additive A is once melted and then cooled and solidified, whereby the low-density powder dry gel is fixed. In addition, the additive B is the same as the powder dry gel when the additive A is used.ChiefThe bond strength offurtherAnd a hard acoustic matching layer can be obtained.
[0103]
Further, by doing so, the acoustic matching layer 3 composed of the dry powder gel, the additive A, and the additive B can be bonded to the case 1 without using an adhesive.
[0104]
Of course, it is preferable to control the thickness of the acoustic matching layer in the process of forming the acoustic matching layer using the powdered dry gel as described above. Small acoustic matching can be obtained. Also, by using the above-described method, the acoustic matching layer 3 can be directly bonded to the case 1 without using an adhesive. (For example, stability against a gas containing sulfur S) is improved. However, depending on the application, the acoustic matching layer formed in advance may be joined to the case using an adhesive.
[0105]
Further, at this time, the piezoelectric body may be simultaneously bonded at the time of pressurization and heat molding for forming an acoustic matching layer made of powdery dried gel.
[0106]
According to this embodiment, a low-density, hard, low acoustic impedance, high-thickness, and high-accuracy acoustic matching layer can be formed. An ultrasonic transducer can be obtained.
[0107]
Here, the example using the case 1 having the upper plate 1a forming the concave portion enclosing the piezoelectric layer 2 and the bottom plate 1b arranged so as to seal the space in the concave portion is shown. Not limited to For example, the acoustic matching layer 3 directly joined to the piezoelectric layer 2 may be sealed in a cylindrical case.
[0108]
(Second embodiment)
FIG. 3 is a process chart illustrating a method for manufacturing an ultrasonic transducer having an acoustic matching layer according to the second embodiment of the present invention. This figure will be described in the order of Step 1 to Step 5.
[0109]
Step 1: Prepare a low-density dry powder gel made of a porous material and about 10% by mass of additive A. Here, as the additive A, a powder of an epoxy resin (main agent) (additive A1) and a powder of a polyamide resin (additive A2) serving as a curing agent for the epoxy resin are used.
[0110]
Step 2: These are placed in the same container, mixed and pulverized to produce a fine powder.
[0111]
Step 3: A desired amount of a mixed powder composed of a low-density powder dry gel, an additive A1, and an additive A2 is weighed and supplied onto the case 1 to which the piezoelectric layer 2 is adhered.
[0112]
The process up to this step can be performed in the same manner as in the first embodiment.
[0113]
Step 4: The case 1 into which the mixed powder 3 has been charged is vibrated by a shaker or the like to flatten the layer of the mixed powder 3 charged.
[0114]
Step 5: A thickness regulating member (control section) 4 is installed from above to control the thickness of the compact of the mixed powder 3 so as to have a thickness of about λ / 4, and is heated and pressed. Mold. Then, the additive A1 and the additive A2 undergo a cross-linking and curing reaction, the low-density powder dry gel is fixed, and a hard (excellent mechanical strength) acoustic matching layer can be obtained.
[0115]
By doing so, the powder dry gel and the additive A1And additivesA2Can be bonded to the case 1 without using an adhesive.
[0116]
Further, at this time, the piezoelectric body may be simultaneously bonded at the time of pressurization and heat molding for forming an acoustic matching layer made of powdery dried gel.
[0117]
According to the present embodiment, the method further includes a step of flattening the upper surface of the layer of the mixed powder before forming the formed body of the mixed powder by pressure molding. Also, the variation in characteristics is small.
[0118]
(Third embodiment)
FIG. 4 is a process diagram illustrating a method for manufacturing an ultrasonic transducer having an acoustic matching layer according to the third embodiment of the present invention. This drawing will be described in the order of Step 1 to Step 4.
[0119]
Step 1: The piezoelectric layer 2 is bonded to the case 1. Bonding can be performed using a known adhesive or the like.
[0120]
Step 2: An O- layer made of an organic film or the like as a thickness regulating member (control section) for controlling the thickness of the acoustic matching layer on the case 1 so that the thickness becomes about λ / 4. The ring 31 is set.
[0121]
Step 3: On the case 1 on which the O-ring 31 is installed, an aqueous solution of silicic acid having a pH of 9 to 10 is dropped as a sol solution to adjust the pH of the aqueous solution of silicic acid to 5.5. Then, the wet gel 33 is formed by pressing the plate 32 from above. When the aqueous solution of silicic acid gels, the OH groups on the surface of the case 1 react with the silanol groups of the raw material to form a chemical bond, forming a wet gel film on the surface of the case 1.
[0122]
Step 4: The obtained wet gel is hydrophobized with an acetone solution of trimethylchlorosilane (TMSC), and a dehydration treatment is performed. After the solvent is replaced with hexane, drying is performed in a container maintained at 100 ° C., to form a silica dry gel film 34 of silicon oxide. Then, the low-density dry gel film is fixed, and the acoustic matching layer can be obtained.
[0123]
By doing so, the acoustic matching layer made of the dried gel can be adhered to the case 1 without using an adhesive.
[0124]
At this time, the piezoelectric body may be bonded after forming the acoustic matching layer made of dry gel.
[0125]
As described above, a low-density, low-acoustic-impedance, high-thickness-accuracy, high-accuracy acoustic matching layer can be formed, and by using this, a highly-sensitive, highly-reliable, stable ultrasonic transducer is used. Can be obtained.
[0126]
(Fourth embodiment)
FIG. 5 is a process chart illustrating a method for manufacturing an ultrasonic transducer having an acoustic matching layer according to the fourth embodiment of the present invention. This drawing will be described in the order of Step 1 to Step 4.
[0127]
Step 1: The piezoelectric layer 2 is bonded to the case 1.
[0128]
Step 2: A wire 41 made of metal or the like is provided on the case 1 as a thickness regulating member (control section) to control the thickness of the acoustic matching layer so as to have a thickness of about λ / 4. Install.
[0129]
Step 3: An aqueous solution of silicic acid having a pH of 9 to 10 is dropped as a sol solution onto the case 1 on which the wire 41 is installed, and the pH of the aqueous solution of silicic acid is adjusted to 5.5. Then, the wet gel 33 is formed by pressing the plate 32 from above. When the aqueous solution of silicic acid gels, the OH groups on the surface of the case 1 react with the silanol groups of the raw material to form a chemical bond, forming a wet gel film on the surface of the case 1.
[0130]
Step 4: The obtained wet gel is hydrophobized with an acetone solution of trimethylchlorosilane (TMSC), and a dehydration treatment is performed. After the solvent is replaced with hexane, drying is performed in a container maintained at 100 ° C. to form a dried silica gel film 34 of silicon oxide. Then, the low-density dry gel film is fixed, and the acoustic matching layer can be obtained.
[0131]
By doing so, the acoustic matching layer made of the dried gel can be adhered to the case 1 without using an adhesive.
[0132]
At this time, the piezoelectric body may be adhered after forming the acoustic matching layer made of dry gel.
[0133]
As described above, a low-density, low-acoustic-impedance, high-thickness-accuracy, high-accuracy acoustic matching layer can be formed, and by using this, a highly-sensitive, highly-reliable, stable ultrasonic transducer is used. Can be obtained.
[0134]
(Fifth embodiment)
FIG. 6 is a process chart illustrating a method for manufacturing an ultrasonic transducer having an acoustic matching layer according to the fifth embodiment of the present invention. This drawing will be described in the order of Step 1 to Step 4.
[0135]
Step 1: The piezoelectric layer 2 is bonded to the case 1.
[0136]
Step 2: A bead 51 is provided on the case 1 as a thickness control unit in order to control the thickness of the acoustic matching layer to have a thickness of λ / 4. As the beads 51, for example, beads that are not melted or deteriorated in a subsequent process may be used, and beads formed of an inorganic material such as glass or an organic material such as a cross-linked polymer can be used. .
[0137]
Step 3: An aqueous solution of silicic acid having a pH of 9 to 10 is dropped as a sol solution onto the case 1 on which the beads 51 are installed, and the pH of the aqueous solution of silicic acid is adjusted to 5.5. Then, the wet gel 33 is formed by pressing the plate 32 from above. When the aqueous solution of silicic acid gels, the OH groups on the surface of the case 1 react with the silanol groups of the raw material to form a chemical bond, forming a wet gel film on the surface of the case 1.
[0138]
Step 4: The obtained wet gel is hydrophobized with an acetone solution of dimethyldimethoxysilane, and dehydrated. After the solvent is replaced with hexane, drying is performed in a container maintained at 100 ° C., to form a silica dry gel film 34 of silicon oxide. Then, the low-density dry gel film is fixed, and the acoustic matching layer can be obtained.
[0139]
By doing so, the acoustic matching layer made of the dried gel can be adhered to the case 1 without using an adhesive.
[0140]
At this time, the piezoelectric body may be adhered after forming the acoustic matching layer made of dry gel.
[0141]
As described above, a low-density, low-acoustic-impedance, high-thickness-accuracy, high-accuracy acoustic matching layer can be formed, and by using this, a highly-sensitive, highly-reliable, stable ultrasonic transducer is used. Can be obtained.
[0142]
(Sixth embodiment)
FIG. 7 is a process diagram illustrating a method for manufacturing an ultrasonic transducer including an acoustic matching layer according to the sixth embodiment of the present invention. This drawing will be described in the order of Step 1 to Step 4.
[0143]
Step 1: The piezoelectric layer 2 and the ceramic 61 are bonded to the case 1. The ceramic 61 functions as a first acoustic matching layer. For example, as the ceramic 61, silica, alumina, zirconia, or the like can be preferably used.
[0144]
Step 2: The thickness of the acoustic matching layer on the periphery of the ceramic 61 on the case 1 is controlled so that the thickness of the acoustic matching layer becomes approximately λ / 4. An O-ring 31 made of a film or the like is provided.
[0145]
Step 3: On the ceramic 61 on which the O-ring 31 is installed, an aqueous solution of silicic acid having a pH of 9 to 10 is dropped as a sol solution to adjust the pH of the aqueous solution of silicic acid to 5.5. Then, the wet gel 33 is formed by pressing the plate 32 from above. When the aqueous solution of silicic acid gels, the OH groups on the surface of the case 1 react with the silanol groups of the raw material to form a chemical bond, forming a wet gel film on the surface of the case 1.
[0146]
Step 4: The obtained wet gel is hydrophobized with an acetone solution of trimethylchlorosilane (TMSC), and a dehydration treatment is performed. Further, it is dried in a container maintained at 50 ° C. to form a silica dry gel film 34 of silicon oxide. Then, the low-density dry gel film is fixed, and the acoustic matching layer can be obtained. After that, the piezoelectric vibrator 10 is completed by assembling the bottom plate (cover plate) of the case 1 and the drive terminals.
[0147]
By doing so, the acoustic matching layer made of the dried gel can be adhered to the ceramic 61 without using an adhesive, and high sensitivity can be achieved by the two-layer acoustic matching layer.
[0148]
At this time, the piezoelectric body may be adhered after forming the acoustic matching layer made of dry gel.
[0149]
When a two-layered acoustic matching layer (the first acoustic matching layer is on the piezoelectric layer side and the second acoustic matching layer is on the gas side), the acoustic impedance Zb of the second acoustic matching layer is equal to the first acoustic matching layer. Is preferably smaller than the acoustic impedance Za. The density of the first acoustic matching layer is 400 kg / m.ThreeMore than 1500kg / mThreeWithin the following range, and the density of the second acoustic matching layer is 50 kg / m.ThreeMore than 500kg / mThreeIt is preferable that the density is within the following range and the density of the second acoustic matching layer is lower than the density of the first acoustic matching layer. For example, the density of the first acoustic matching layer is 400 kg / mThree800 kg / mThreeWithin the following range, and the density of the second acoustic matching layer is 50 kg / m.ThreeMore than 400kg / mThreeIt is in the following range.
[0150]
The first acoustic matching layer can be formed using a known material such as ceramics exemplified here, a fibrous body of an inorganic material, a sintered porous body, a material obtained by solidifying a glass balloon or a plastic balloon with a resin matrix. . On the other hand, by using a dried gel, a second acoustic matching layer satisfying the above conditions can be obtained.
[0151]
According to the present embodiment, the second acoustic matching layer having low density, low acoustic impedance, and high thickness accuracy can be formed, so that the characteristics of the acoustic matching layer having a two-layer structure can be further improved. Therefore, by using the acoustic matching layer of the present embodiment, it is possible to obtain a highly reliable and stable ultrasonic transducer.
[0152]
(Seventh embodiment)
FIG. 8 is a sectional view of the piezoelectric vibrator of the ultrasonic transducer used in the ultrasonic flowmeter of the present invention. In this figure, a piezoelectric vibrator 10 for performing electric-ultrasonic mutual conversion is composed of a piezoelectric layer 2 and an acoustic matching layer 100. The piezoelectric layer 2 generates ultrasonic vibration, is made of a piezoelectric ceramic, a piezoelectric single crystal, or the like, is polarized in a thickness direction, and has electrodes on upper and lower surfaces. The acoustic matching layer 100 is for transmitting an ultrasonic wave to a gas or receiving an ultrasonic wave propagating through the gas, and the mechanical vibration of the piezoelectric layer 2 excited by the driving AC voltage causes external vibration. The medium has a function of efficiently radiating ultrasonic waves to the medium and arriving ultrasonic waves are efficiently converted to a voltage. The medium is formed using the above-described embodiment, and forms a transmitting and receiving surface of ultrasonic waves in the piezoelectric layer 2. And bonded to the outside of the case 1 by chemical bonding.
[0153]
Furthermore, since the thickness of the acoustic matching layer 100 is strictly defined by the thickness control unit 101, there is no surface unevenness.
[0154]
In the ultrasonic transducer configured as described above, when a burst signal voltage having an AC signal component having a frequency near the resonance frequency of the ultrasonic transducer is applied to the drive terminal, the piezoelectric vibrator 10 operates in the thickness vibration mode. And emits a burst of ultrasonic waves into a fluid such as a gas or a liquid.
[Brief description of the drawings]
[0155]
FIGS. 1A and 1B are cross-sectional views schematically showing a structure of an acoustic manufacturing layer according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a process diagram illustrating a method for manufacturing the ultrasonic transducer according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a process diagram illustrating a method for manufacturing an ultrasonic transducer according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a process chart illustrating a method for manufacturing an ultrasonic transducer according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a process diagram illustrating a method for manufacturing an ultrasonic transducer according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a process diagram illustrating a method for manufacturing an ultrasonic transducer according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a process diagram illustrating a method for manufacturing an ultrasonic transducer according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a sectional view of an ultrasonic transducer according to the present invention.
FIG. 9 is a block diagram schematically showing a configuration of an ultrasonic flowmeter using a conventional ultrasonic transducer.
FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a conventional ultrasonic wave receiver.
11A and 11B are diagrams schematically showing a configuration of an acoustic matching layer of a conventional ultrasonic wave receiver, where FIG. 11A is a cross-sectional view, and FIG. 11B is a top view. FIG.

Claims (24)

乾燥ゲルの粉末を含む、音響整合層。Acoustic matching layer containing dry gel powder. 前記乾燥ゲルの密度が500kg/m3以下であり、平均細孔直径が100nm以下である、請求項1に記載の音響整合層。The density of the dry gel is not more 500 kg / m 3 or less, an average pore diameter is 100nm or less, the acoustic matching layer according to claim 1. 前記乾燥ゲルの粉末の平均粒径が1μm以上100μm以下の範囲内にある、請求項1または2に記載の音響整合層。The acoustic matching layer according to claim 1, wherein the average particle size of the powder of the dried gel is in a range of 1 μm or more and 100 μm or less. 前記乾燥ゲルの固体骨格部が、無機酸化物を含む、請求項1から3のいずれかに記載の音響整合層。The acoustic matching layer according to claim 1, wherein the solid skeleton of the dried gel contains an inorganic oxide. 前記無機酸化物は、酸化ケイ素または酸化アルミニウムである、請求項3に記載の音響整合層。The acoustic matching layer according to claim 3, wherein the inorganic oxide is silicon oxide or aluminum oxide. 熱結着性高分子の粉末を全体の40質量%以下含む、請求項1から5のいずれかに記載の音響整合層。The acoustic matching layer according to any one of claims 1 to 5, wherein the acoustic matching layer contains 40% by mass or less of the heat binding polymer powder. 前記熱結着性高分子の粉末は、平均粒径が0.1μm以上50μm以下の範囲内にある、請求項6に記載の音響整合層。The acoustic matching layer according to claim 6, wherein the powder of the heat binding polymer has an average particle diameter in a range of 0.1 µm or more and 50 µm or less. 音響インピーダンスが5×104kg/s・m2以上20×104kg/s・m2以下の範囲内にある、請求項1から7のいずれかに記載の音響整合層。The acoustic matching layer according to any one of claims 1 to 7, wherein the acoustic impedance is in the range of 5 x 10 4 kg / s-m 2 or more and 20 x 10 4 kg / s-m 2 or less. 25℃以上70℃以下の範囲内における音響インピーダンスの温度変化率が、−0.04%/℃以下である、請求項1から8のいずれかに記載の音響整合層。The acoustic matching layer according to any one of claims 1 to 8, wherein a temperature change rate of the acoustic impedance in a range of 25C or more and 70C or less is -0.04% / C or less. 前記音響整合層中を伝播する音波の波長λの約4分の1の厚さを有する、請求項1から9のいずれかに記載の音響整合層。The acoustic matching layer according to any one of claims 1 to 9, wherein the acoustic matching layer has a thickness of about one quarter of a wavelength λ of a sound wave propagating in the acoustic matching layer. 圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた請求項1から10のいずれかに記載の音響整合層とを備えた超音波送受波器。An ultrasonic transducer comprising: a piezoelectric layer; and the acoustic matching layer according to claim 1 provided on the piezoelectric layer. 前記音響整合層が前記圧電体層上に直接結合されている、請求項11に記載の超音波送受波器。The ultrasonic transducer according to claim 11, wherein the acoustic matching layer is directly bonded on the piezoelectric layer. 前記圧電体層を内包する凹部を形成する上板と、前記凹部内の空間を密閉するように配置される底板とを有するケースをさらに有し、
前記圧電体層は前記ケースの前記上板の内面に接着されており、
前記音響整合層は、前記上板を介して前記圧電体層に対向するように前記上板の上面に直接結合されている、請求項11に記載の超音波送受波器。
Further comprising a case having an upper plate forming a recess enclosing the piezoelectric layer, and a bottom plate arranged to seal the space in the recess,
The piezoelectric layer is adhered to an inner surface of the upper plate of the case,
The ultrasonic transducer according to claim 11, wherein the acoustic matching layer is directly coupled to an upper surface of the upper plate so as to face the piezoelectric layer via the upper plate.
乾燥ゲルの粉末と熱結着性高分子の粉末との混合粉末を用意する工程と、
前記混合粉末を加圧成形する工程と、
を包含する、音響整合層の製造方法。
A step of preparing a mixed powder of a dry gel powder and a heat binding polymer powder,
Pressing the mixed powder,
A method for manufacturing an acoustic matching layer, comprising:
前記混合粉末を用意する工程は、
前記乾燥ゲルを用意する工程と、
前記熱結着性高分子の粉末を用意する工程と、
前記乾燥ゲルと前記熱結着性高分子の粉末とを混合しながら粉砕する工程と、
を包含する請求項14に記載の音響整合層の製造方法。
The step of preparing the mixed powder,
Providing the dried gel;
Preparing a powder of the heat-binding polymer,
Pulverizing while mixing the dried gel and the heat binding polymer powder,
The method for manufacturing an acoustic matching layer according to claim 14 , comprising:
前記混合粉末を加圧成形する工程は、前記混合粉末を加熱する工程を包含する、請求項15に記載の音響整合層の製造方法。The method for manufacturing an acoustic matching layer according to claim 15 , wherein the step of pressure-forming the mixed powder includes a step of heating the mixed powder. 前記混合粉末を加圧成形する工程は、加圧成形によって得られる前記混合粉末の成形体の厚さを所定の厚さに制御する工程を包含する、請求項14から16のいずれかに記載の音響整合層の製造方法。A step of compression molding the mixed powder includes the step of controlling the thickness of the molded body of the mixed powder obtained by pressing a predetermined thickness, according to any of claims 14 to 16 Manufacturing method of acoustic matching layer. 前記混合粉末を加圧成形する工程は、
下側成形面上に所定量の前記混合粉末を供給する工程と、
前記下側成形面上に供給された前記混合粉末が形成する層の上面を平坦化する工程と、を包含する、請求項14から17のいずれかに記載の音響整合層の製造方法。
The step of press-molding the mixed powder,
Supplying a predetermined amount of the mixed powder on the lower molding surface,
Manufacturing method of the comprising the steps of: planarizing the top surface of the layer of the mixed powder which is supplied to the lower molding surface on forms, and acoustic matching layer according to any one of claims 14 17.
圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた音響整合層とを備えた超音波送受波器の製造方法であって、
前記音響整合層を請求項14から17のいずれかの製造方法によって形成する工程を包含する、超音波送受波器の製造方法。
A method for manufacturing an ultrasonic transducer including a piezoelectric layer and an acoustic matching layer provided on the piezoelectric layer,
A method of manufacturing an ultrasonic transducer, comprising a step of forming the acoustic matching layer by the method of any one of claims 14 to 17 .
前記音響整合層は前記圧電体層上に直接接合される、請求項19に記載の超音波送受波器の製造方法。20. The method according to claim 19 , wherein the acoustic matching layer is directly bonded on the piezoelectric layer. 前記超音波送受波は、前記圧電体層を内包する凹部を形成する上板と、前記凹部内の空
間を密閉するように配置される底板とを有するケースをさらに有し、
前記音響整合層は前記ケースの前記上板の上面に直接接合される、請求項19に記載の超音波送受波器の製造方法。
The ultrasonic transducer further comprises a case having a top plate which forms a recess for containing the piezoelectric layer, and a bottom plate arranged to seal the space within said recess,
20. The method according to claim 19 , wherein the acoustic matching layer is directly bonded to an upper surface of the upper plate of the case.
圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた音響整合層とを備えた超音波送受波器の製造方法であって、
前記音響整合層を形成するプロセスが、
(a)ゲル原料液を調製する工程と、
(b)前記音響整合層が形成される面上に、所定の高さを有する厚さ規制部材を設ける工程と、
(c)前記面上に前記ゲル原料液を付与する工程と、
(d)前記面上に付与された前記ゲル原料液が形成する液層の厚さを前記厚さ規制部材の高さに略一致させる工程と、
(e)前記ゲル原料液から湿潤ゲルを形成する固体化工程と、
(f)前記湿潤ゲルに含まれる溶媒を除去することによって乾燥ゲルを形成する乾燥工程と、
を包含する、超音波送受波器の製造方法。
A method for manufacturing an ultrasonic transducer including a piezoelectric layer and an acoustic matching layer provided on the piezoelectric layer,
The process of forming the acoustic matching layer comprises:
(A) a step of preparing a gel raw material liquid;
(B) providing a thickness regulating member having a predetermined height on a surface on which the acoustic matching layer is formed;
(C) applying the gel raw material liquid on the surface;
(D) making the thickness of the liquid layer formed by the gel raw material liquid provided on the surface substantially equal to the height of the thickness regulating member;
(E) a solidification step of forming a wet gel from the gel raw material liquid;
(F) a drying step of forming a dry gel by removing a solvent contained in the wet gel;
A method for manufacturing an ultrasonic transducer, comprising:
前記音響整合層は、前記圧電体層側に配置された第1音響整合層と、前記第1音響整合層上に設けられた第2音響整合層を有し、
前記第2音響整合層を形成するプロセスが、前記工程(a)〜(f)を包含する、請求項22に記載の超音波送受波器の製造方法。
The acoustic matching layer has a first acoustic matching layer disposed on the piezoelectric layer side, and a second acoustic matching layer provided on the first acoustic matching layer,
23. The method for manufacturing an ultrasonic transducer according to claim 22 , wherein a process of forming the second acoustic matching layer includes the steps (a) to (f).
前記厚さ規制部の高さは、対応する音響整合層中を伝播する音波の波長λの約4分の1である、請求項22または23のいずれかに記載の超音波送受波器の製造方法。Height of the thickness regulating member is approximately one-quarter the wavelength of the acoustic wave propagating the corresponding acoustic matching layer lambda, according to any one of claims 22 or 23 of the ultrasonic transducer Production method.
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